羅進(jìn) 張威

一、 前言

自國(guó)家體育總局提出“科技興體”戰(zhàn)略以來(lái)，我國(guó)高度重視冬奧會(huì)科技服務(wù)工作的開(kāi)展。早在2009年，國(guó)家體育總局冬季運(yùn)動(dòng)管理中心就開(kāi)始牽頭，開(kāi)展實(shí)施國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目。此次課題研究總共設(shè)立7個(gè)子課題，分別由北京北控京奧建設(shè)有限公司、北京北控智慧城市科技發(fā)展有限公司、北京工業(yè)大學(xué)等部門(mén)承擔(dān)，參與研究的子課題承擔(dān)單位共計(jì)12個(gè)。課題緊緊圍繞我國(guó)冬奧備戰(zhàn)、冬奧會(huì)的目標(biāo)和任務(wù)，冬奧項(xiàng)目的制勝規(guī)律等關(guān)鍵問(wèn)題展開(kāi)，特別是制約我國(guó)冬奧項(xiàng)目發(fā)展的瓶頸問(wèn)題，進(jìn)行系統(tǒng)、深入、創(chuàng)新性的研究。該項(xiàng)目的組織實(shí)施，充分調(diào)動(dòng)了我國(guó)體育科研人員的積極性，為冬季項(xiàng)目科學(xué)研究提供了廣闊的舞臺(tái)，有效的提升了我國(guó)冬季項(xiàng)目科研服務(wù)水平。

本項(xiàng)目采用多種傳感技術(shù)及數(shù)據(jù)傳輸方式，采集體育館內(nèi)多類(lèi)別的設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)，結(jié)合BIM模型，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)館設(shè)備設(shè)施動(dòng)態(tài)可視化展示和管理。

本文提供一套技術(shù)方案，通過(guò)研究多種傳感器及數(shù)據(jù)傳輸方案，結(jié)合場(chǎng)館GIS/BIM模型數(shù)據(jù)，構(gòu)建覆蓋場(chǎng)館各類(lèi)設(shè)備設(shè)施運(yùn)行狀況的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)采集不同季節(jié)運(yùn)行的設(shè)備設(shè)施運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備設(shè)施復(fù)雜狀態(tài)可視化，為場(chǎng)館運(yùn)營(yíng)提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

二、關(guān)鍵技術(shù)研究

（一）技術(shù)方案

目前對(duì)于體育館及大型樓宇的監(jiān)控，較多的使用 BAS（Building Automation System，樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)）監(jiān)測(cè)和定位設(shè)備。雖然 BAS 系統(tǒng)能夠監(jiān)控冷水機(jī)組、空調(diào)機(jī)組等大型設(shè)備的運(yùn)行狀況，這些設(shè)備發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，然而 BAS 系統(tǒng)在實(shí)際操作中帶來(lái)的便利程度并不高。另一方面 BAS 系統(tǒng)信息集成化程度低，一些設(shè)備和構(gòu)件的屬性信息，如故障地點(diǎn)周邊環(huán)境，散布在各種文件中。當(dāng)故障發(fā)生后，檢修人員或憑對(duì)系統(tǒng)熟悉記憶或查閱設(shè)施檔案資料，才能確定故障點(diǎn)位置、獲取故障設(shè)備信息，這一過(guò)程比較耗費(fèi)時(shí)間，并很容易受過(guò)時(shí)信息的影響。依據(jù)BAS 系統(tǒng)，利益相關(guān)人在對(duì)故障分析、決策和實(shí)施過(guò)程中的溝通交流質(zhì)量和效率不高。

參考智能工廠中廣泛采用的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，尤其以我國(guó)廣泛使用的LonWorks總線技術(shù)為準(zhǔn)。Lonworks（LocalOperatingNetwork，局部操作網(wǎng)絡(luò)）是一個(gè)開(kāi)放的、全分布式監(jiān)控系統(tǒng)專用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)技術(shù)，以其獨(dú)特的特點(diǎn)已成為目前所有現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)功能最為強(qiáng)大，市場(chǎng)效率最高的總線之一。它使用了具有分布控制與通信聯(lián)網(wǎng)功能的大規(guī)模集成的神經(jīng)元芯片（neuronchips）構(gòu)成各個(gè)智能監(jiān)控節(jié)點(diǎn)（node），通過(guò)網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器（TranReceiver）及網(wǎng)絡(luò)通信媒體將各節(jié)點(diǎn)構(gòu)成全分布式局部操作網(wǎng)絡(luò)（簡(jiǎn)稱LON網(wǎng)）。但Lonworks技術(shù)成本普遍偏高，不利于大范圍的體育場(chǎng)館布設(shè)。

針對(duì)以上情況，本文提出了一種融合Lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線、RS485網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、NB-IoT技術(shù)等多種工控技術(shù)的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)方案。該方案采用分層逐級(jí)管理的機(jī)制，底層采用扁平式RS485拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、部分設(shè)備總控接口傳輸?shù)姆绞健Ｖ虚g層采用Lonworks現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)，最終由中央監(jiān)控主機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理及可視化展示。其原理如圖 1所示。

（二） Lonworks神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

Lonworks的核心技術(shù)是具有3個(gè)8位的CPU神經(jīng)元芯片（Neuron Chip），同時(shí)具備通信與控制功能，并且固化了Lontalk協(xié)議，以及34種常見(jiàn)的I/O控制對(duì)象。它采用了ISO/OSI模型中完整的七層通信協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方法，Lonworks技術(shù)將其稱之為“網(wǎng)絡(luò)變量”，使網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化成為參數(shù)設(shè)置。這樣，不但節(jié)省了大量的設(shè)計(jì)工作量，同時(shí)增加了通信的可靠性。如圖 2所示。

（三）RS485協(xié)議設(shè)備與Lonworks總線連接方法

RS485轉(zhuǎn)換模塊由3個(gè)部分組成，包括由Lon網(wǎng)數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊、Lon網(wǎng)協(xié)議和RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和以RS485通訊模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其不僅包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，而且完成系統(tǒng)其它顯示傳輸功能。該模塊的主控芯片為海思公司生產(chǎn)，基于國(guó)際先進(jìn)的LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，組網(wǎng)靈活、擴(kuò)展方便、互操作性好；提供LonWorks雙絞線多種收發(fā)器接口類(lèi)型，通訊速率為78kbps；1路光電隔離的串口通訊RS485接口，可在線編程；LonWorks雙絞線接口采用Neuron FT5000芯片，支持多達(dá)254個(gè)網(wǎng)絡(luò)變量； AC220V供電，具有過(guò)電壓保護(hù)功能，可選DC24V供電 ；LonWorks網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議為L(zhǎng)onTalk協(xié)議；RS485通訊協(xié)議為ModBus RTU協(xié)議或其它自定義協(xié)議；通過(guò)LonWorks訪問(wèn)MODBUS設(shè)備 ；通過(guò) MODBUS訪問(wèn)LonWorks設(shè)備 ；作為L(zhǎng)onWorks總線主站時(shí)，海思首創(chuàng)的自綁定技術(shù)，可與LonWorks總線上的節(jié)點(diǎn)設(shè)備自動(dòng)綁定LonWorks網(wǎng)絡(luò)變量，無(wú)需調(diào)試人員復(fù)雜的手動(dòng)綁定作業(yè)；實(shí)時(shí)時(shí)鐘，掉電存儲(chǔ)，鐵電可擦寫(xiě)45億次；采用多種抗干擾技術(shù)，在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中可穩(wěn)定、可靠地工作。

（四）NB-IoT設(shè)備與Lonworks總線連接方法

圖 1 設(shè)備設(shè)施監(jiān)測(cè)原理圖

圖 2 神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖

圖 3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

針對(duì)于纜車(chē)、造雪設(shè)備等大型或者移動(dòng)型設(shè)備不便于監(jiān)測(cè)和布設(shè)普通傳感器的設(shè)備，我們采用NB-IoT技術(shù)，利用其覆蓋能力強(qiáng)、功耗低、適用范圍廣、成本低廉、可直接利用普通3G、4G基站即可通信的優(yōu)勢(shì)，將此類(lèi)設(shè)備采集的設(shè)備信息最終保存至寬帶互聯(lián)網(wǎng)下，使其可以方便的接入Lonworks網(wǎng)絡(luò)中。信息采集后便是接入Lonworks的方式，針對(duì)此次方案中我們同樣設(shè)計(jì)了協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片，使其可以方便的受控于Lonworks網(wǎng)路。硬件結(jié)構(gòu)如圖4。

同樣協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊也是整個(gè)系統(tǒng)的核心，包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，可以完成系統(tǒng)其它顯示傳輸功能。該模塊的主控芯片為NXP公司生產(chǎn)的LPC17 78，其片上資源包括512 Kb的FLASH存儲(chǔ)器、高達(dá)64 Kb的SRAM，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率可高達(dá) 120 MHz，同時(shí)可內(nèi)嵌操作系統(tǒng)。LPC1778內(nèi)置外部總線控制器，通過(guò)總線方式讀寫(xiě)雙口RAM，從而完成與數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊的高速數(shù)據(jù)交換。另外，嵌入式WEB服務(wù)器的架構(gòu)需要大容量的存儲(chǔ)器，片上資源已不能夠滿足現(xiàn)有的需要，因此外部擴(kuò)展一片16 Mb的FLASH SST25VF016B。

圖 4 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

三、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

（一） 總體設(shè)計(jì)

場(chǎng)館多種類(lèi)設(shè)備設(shè)施監(jiān)測(cè)功能結(jié)構(gòu)分為設(shè)備信息檔案建立、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)融合、及可視化展示幾部分。其功能結(jié)構(gòu)如圖 5所示。

設(shè)備檔案信息部分，是將監(jiān)測(cè)設(shè)備的基本硬件參數(shù)錄入到三維模型中，包括設(shè)備型號(hào)、參數(shù)、位置信息、圖片等內(nèi)容。

設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集即為本文的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。通過(guò)各類(lèi)傳感器將設(shè)備參數(shù)分別通過(guò)RS485、NB-IoT、接口等多種方式進(jìn)行采集傳輸，經(jīng)過(guò)不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換過(guò)程，匯集到Lonworks網(wǎng)絡(luò)中，最終發(fā)送服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)一處理。

圖 6 數(shù)據(jù)接入拓?fù)鋱D

數(shù)據(jù)融合部分是將采集到設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行整理或轉(zhuǎn)換，以形成統(tǒng)一格式，方便的與三維BIM模型進(jìn)行融合，以便實(shí)現(xiàn)可視化管理。信息融合采用標(biāo)準(zhǔn)的IFC數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)軟件都能導(dǎo)入、導(dǎo)出這種格式的工程數(shù)據(jù)。IFC標(biāo)準(zhǔn)整體的信息描述分為四個(gè)層次， 從下往上分別為資源層、核心層、共享層、領(lǐng)域?qū)?。每個(gè)層次又包含若干模塊， 相關(guān)工程信息集中在一個(gè)模塊里描述。從技術(shù)方法上分， IFC信息獲取可以有兩種手段，我們主要采用標(biāo)準(zhǔn)格式的程序接口訪問(wèn)信息。

可視化展示部分是該系統(tǒng)應(yīng)用的最終展示，在BIM模型中查看設(shè)備運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)智能管理，主要功能模塊有設(shè)備日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查看、設(shè)備報(bào)警信息、設(shè)備保養(yǎng)信息維護(hù)等。

（二） 數(shù)據(jù)接入層設(shè)計(jì)

通過(guò)不同的數(shù)據(jù)采集方式，最終將所有設(shè)備的參數(shù)收集至Lonworks下的神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)，神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)利用固化的LonTalk通信協(xié)議進(jìn)行節(jié)點(diǎn)或總線間的數(shù)據(jù)傳輸，Lonworks總線通過(guò)專用路由器交換機(jī)最終將設(shè)備數(shù)據(jù)采集至服務(wù)器或中央監(jiān)控主機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的處理與融合。如圖 6所示。

（三） 可視化展示功能

此部分為系統(tǒng)的最終展示模塊，主要功能有設(shè)備日常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查看、設(shè)備報(bào)警信息、設(shè)備保養(yǎng)信息維護(hù)等。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)整合現(xiàn)有的各類(lèi)傳感技術(shù)，本文提出了一種利用多傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)傳輸設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換統(tǒng)一管理收集設(shè)備參數(shù)的方法。

結(jié)合雪場(chǎng)GIS/BIM，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)冬奧場(chǎng)館內(nèi)的設(shè)備設(shè)施運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行全天候、全方位、多角度、多維度地連續(xù)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，并在三維BIM場(chǎng)景中進(jìn)行仿真效果渲染，將傳感數(shù)據(jù)與建筑信息模型、地理信息模型的時(shí)空融合處理與計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備設(shè)施復(fù)雜狀態(tài)的可視化。

作者單位：北京北控京奧建設(shè)有限公司

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃科技冬奧專項(xiàng)“復(fù)雜山地條件下冬奧雪上場(chǎng)館設(shè)計(jì)建造運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)”編號(hào)：2018YFF0300300