余芳強(qiáng) 徐曉紅 宋天任 張淳毅

(1上海建工四建集團(tuán)有限公司, 上海 201103; 2.上?？萍拣^, 上海 200127)

1 項(xiàng)目概況

為加快推進(jìn)上海科技創(chuàng)新中心建設(shè),“十三五”期間上海市政府主導(dǎo)建設(shè)了多項(xiàng)重大文化場(chǎng)館。但由于我國(guó)建筑業(yè)長(zhǎng)期“重建設(shè)、輕運(yùn)維”,導(dǎo)致新建文化場(chǎng)館在開館后面臨運(yùn)維人員緊張、專業(yè)度不夠、智能化系統(tǒng)落地應(yīng)用難等普遍問題。特別是在疫情防控常態(tài)化形勢(shì)下,傳統(tǒng)的“出現(xiàn)問題、解決問題”的被動(dòng)式建筑運(yùn)維模式難以滿足需求,急需主動(dòng)式、智慧化的運(yùn)維管理模式和技術(shù)。

上海天文館坐落于上海市浦東新區(qū)臨港新片區(qū)滴水湖畔,占地面積58 603 m2,建筑面積37 741 m2,2016年11月8日開工建設(shè),2021年7月17日正式開館,是集教育、研究、收藏、展示、交互功能為一體的重大文化場(chǎng)館,為世界規(guī)模最大的天文館[1],如圖1所示。

上海天文館作為一座大體量異形建筑,建設(shè)難度大,建筑信息模型(BIM)技術(shù)在設(shè)計(jì)和施工階段全面應(yīng)用,最終交付了竣工BIM[2]。但由于對(duì)運(yùn)維階段BIM需求不明確,業(yè)主并未對(duì)竣工BIM進(jìn)行針對(duì)性的驗(yàn)收工作;并且開館后部分空間增加了隔斷、變更了功能,未及時(shí)更新模型,導(dǎo)致BIM難以應(yīng)用于運(yùn)維管理中。上海天文館建筑智能化水平較高,部署了樓宇智能系統(tǒng)、能耗計(jì)量、智能安防、智能消防、太陽(yáng)能監(jiān)測(cè)等系統(tǒng),系統(tǒng)多、數(shù)據(jù)量大。但在開館試運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)各智能化系統(tǒng)相互獨(dú)立,使用不便,難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)。另外,由于智能化系統(tǒng)點(diǎn)位變更,竣工資料缺、漏、錯(cuò)現(xiàn)象普遍存在[3],給智能化系統(tǒng)使用帶來(lái)較大困難。

圖1 上海天文館實(shí)景Fig.1 A picture of shanghai Astronomy Museum

在智慧展館建設(shè)和“碳達(dá)峰、碳中和”背景下,天文館運(yùn)維方?jīng)Q定以數(shù)字孿生模型為核心,融合BIM和各個(gè)建筑智能化系統(tǒng)數(shù)據(jù),建設(shè)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智慧運(yùn)維系統(tǒng)。上海建工四建集團(tuán)作為智慧運(yùn)維系統(tǒng)建設(shè)方,結(jié)合上海天文館項(xiàng)目實(shí)際需求,提出了基于數(shù)字孿生的智慧運(yùn)維實(shí)施方案,并落地實(shí)施,達(dá)到以較低成本、較快速度提升上海天文館的運(yùn)維智能化水平的效果。上海天文館是典型的現(xiàn)代化科技館,本項(xiàng)目的智慧運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)其他新建、改擴(kuò)建和新開的科技館的智慧運(yùn)維建設(shè)具有一定借鑒意義。

2 建筑數(shù)字孿生模型構(gòu)建方法

2.1 問題分析

數(shù)字孿生模型是在計(jì)算機(jī)里建立的建筑實(shí)體的孿生體,需要準(zhǔn)確描述建筑構(gòu)件的幾何、物理信息,以及建筑系統(tǒng)中設(shè)備上下游邏輯控制關(guān)系等系統(tǒng)機(jī)理,并感知建筑動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)[4]。其中,建筑構(gòu)件的幾何和物理信息由BIM構(gòu)建,建筑運(yùn)行狀態(tài)由建筑智能化系統(tǒng)采集。但由于建造和運(yùn)維需求差異大,現(xiàn)有以建造應(yīng)用為主的BIM不滿足運(yùn)維需求[5]。并且天文館建筑系統(tǒng)復(fù)雜,系統(tǒng)機(jī)理建模工作量大。另外,天文館建筑運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)由多個(gè)智能化系統(tǒng)采集,來(lái)源多、結(jié)構(gòu)差異大、融合難度高[6]。因此,首先需要解決數(shù)字孿生模型構(gòu)建的問題。

為高效建立天文館的建筑數(shù)字孿生模型,本研究對(duì)天文館試運(yùn)行期間的相關(guān)問題進(jìn)行了深入調(diào)研,總結(jié)出主要問題如下。

1)竣工后,展陳布置等需求導(dǎo)致空間劃分變更、管線遷移、設(shè)備點(diǎn)位優(yōu)化,而竣工模型未能及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)變化而調(diào)整,導(dǎo)致竣工BIM的空間、設(shè)備、管線等元素的幾何和物理信息與現(xiàn)場(chǎng)不一致;

2)分樓層創(chuàng)建的竣工BIM中,跨樓層的建筑機(jī)電系統(tǒng)的物理連接斷開,設(shè)備上下游控制等系統(tǒng)機(jī)理缺失,不滿足運(yùn)維管理要求;

3)各個(gè)智能化系統(tǒng)相互割裂,不提供數(shù)據(jù)互用接口,數(shù)據(jù)映射工作量大、融合難度高。

2.2 數(shù)字孿生模型構(gòu)建流程

針對(duì)以上問題,本研究提出了新開天文館建筑數(shù)字孿生模型構(gòu)建流程,如圖 2所示,包括BIM模型審核與完善、幾何模型輕量化、系統(tǒng)機(jī)理模型構(gòu)建、智能化系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合等步驟,最終形成融合“建筑信息+系統(tǒng)機(jī)理+運(yùn)行狀態(tài)”的數(shù)字孿生模型。

圖2 建筑數(shù)字孿生模型構(gòu)建流程Fig.2 The modelling procedure of building digital model

2.3 基于智能設(shè)備的模型審核與完善

2.3.1基于混合現(xiàn)實(shí)(MR)設(shè)備的BIM幾何模型審核方法

為保障BIM中幾何模型與建筑實(shí)體的一致性,滿足運(yùn)維要求,本文采用頭戴式MR設(shè)備將BIM投射至現(xiàn)實(shí)空間,實(shí)現(xiàn)模型和實(shí)體的快速比對(duì),從而找到模型與現(xiàn)場(chǎng)不一致問題點(diǎn),如圖3所示。主要步驟如下:

1)將模型轉(zhuǎn)換為IFC格式,上傳至MR設(shè)備中;

2)選取模型中2～3個(gè)平面,通過程序自動(dòng)與現(xiàn)實(shí)平面貼合定位,實(shí)現(xiàn)將模型投射至現(xiàn)場(chǎng);

3)直觀查看混合現(xiàn)實(shí)畫面,檢查模型與現(xiàn)場(chǎng)不一致位置;

4)針對(duì)構(gòu)件尺寸或位置不一致的問題,應(yīng)用MR設(shè)備測(cè)量模型與現(xiàn)實(shí)的誤差;

5)針對(duì)誤差超過運(yùn)維要求的區(qū)域,對(duì)BIM幾何模型進(jìn)行修改。

2.3.2基于移動(dòng)端的BIM屬性信息審核與完善方法

針對(duì)新開天文館內(nèi)部空間名稱、使用部門、功能等屬性信息,以及設(shè)備的名稱、類型和供應(yīng)商等信息與BIM不一致的問題,本研究采用基于移動(dòng)端的屬性信息審核與完善方法。主要步驟如下:

1)將竣工BIM通過輕量化插件轉(zhuǎn)化為網(wǎng)頁(yè)端可打開的模型,支持通過平板電腦查看模型;

2)運(yùn)維人員通過平板電腦逐個(gè)房間進(jìn)行審核,確認(rèn)房間名稱、面積、使用和管理部門,以及房間內(nèi)的主要設(shè)備的數(shù)量、位置、名稱、類型、供應(yīng)商等信息的一致性,如圖4所示;

3)查驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)屬性信息不一致問題,可直接在模型上修正;或標(biāo)記后在BIM模型中修正。

a—基于MR對(duì)模型進(jìn)行審核; b—模型與實(shí)體誤差測(cè)量。圖3 基于MR的幾何信息一致性審核Fig.3 Checking of geometric model’s consistency by using MR

圖4 運(yùn)維人員使用平板電腦進(jìn)行模型查驗(yàn)Fig.4 Model checking using tablet computers by operators

2.4 模型輕量化方法

文化場(chǎng)館模型體量大,為提升運(yùn)維使用模型的體驗(yàn),需要進(jìn)行輕量化處理。由于天文館外形設(shè)計(jì)以異形多曲面為主,其幕墻模型采用了Rhinoceros軟件進(jìn)行高精度建模,模型文件約為18.6 GB,難以流暢渲染,無(wú)法直接用于運(yùn)維管理。本文針對(duì)幕墻等復(fù)雜模型,提出了一種以貼圖代替復(fù)雜幾何模型的輕量化方法,具體步驟如下:

1)在建模軟件中拾取復(fù)雜構(gòu)件的面邊緣,生成平滑曲面;

2)將原高精度模型表面凹凸紋理等細(xì)節(jié)渲染烘焙為貼圖,形成高真實(shí)感材質(zhì)球貼圖;

3)將貼圖配置到簡(jiǎn)化后的平滑曲面,通過基于物理的渲染管線進(jìn)行高真實(shí)感渲染,可在三維場(chǎng)景下產(chǎn)生立體感,如圖 5所示;

4)調(diào)整各個(gè)構(gòu)件的材質(zhì)、優(yōu)化光照參數(shù),使得渲染效果與實(shí)際建筑高度相似。

圖5 基于貼圖的裝飾模型Fig.5 Lightweight decorative model based on texture

2.5 建筑系統(tǒng)機(jī)理模型自動(dòng)構(gòu)建

竣工BIM缺失建筑系統(tǒng)中設(shè)備上下游控制邏輯關(guān)系等系統(tǒng)機(jī)理信息,而系統(tǒng)機(jī)理對(duì)運(yùn)維至關(guān)重要。譬如,查詢地下室的冷水機(jī)組的上游冷卻塔編號(hào),通過物理連接查詢需要遍歷數(shù)十個(gè)管道才能追蹤到,效率極低。因此,本文研發(fā)了一種根據(jù)建筑系統(tǒng)的物理連接關(guān)系自動(dòng)生成其邏輯連接關(guān)系,具體步驟如下。

1)將BIM中機(jī)電系統(tǒng)抽象為有向連通圖——即將機(jī)電設(shè)備、開關(guān)閥門、管道等元素抽象為圖的節(jié)點(diǎn),元素的連接器抽象為圖的邊,如圖6a和6b所示,閥門A、泵A和連接的管道均為圖的節(jié)點(diǎn);

2)將物理連接圖中設(shè)備、開關(guān)閥門等元素節(jié)點(diǎn)刪去,將相互連接的一組管道節(jié)點(diǎn)抽象為一個(gè)管道團(tuán),每個(gè)管道團(tuán)相互割裂,如G1、G2等;再根據(jù)物理連接圖計(jì)算設(shè)備、開關(guān)閥門等階段與各個(gè)管道團(tuán)的連接關(guān)系,從而將設(shè)備與大量管道的復(fù)雜連接轉(zhuǎn)換為設(shè)備到少數(shù)管道團(tuán)的簡(jiǎn)單連接,如圖6c所示;

3)在通過一個(gè)管道團(tuán)連接的兩個(gè)設(shè)備之間,建立邏輯連接關(guān)系;并根據(jù)設(shè)備與管道團(tuán)之間連接器的方向,確定兩個(gè)設(shè)備之間的邏輯連接方向,如圖6d所示;譬如閥門A流向管道團(tuán)G1,管道團(tuán)G1流向泵A,則閥門A和泵A之間的邏輯連接方向?yàn)殚y門A到泵A;

4)最后通過最短路徑方法計(jì)算具有邏輯關(guān)系的兩個(gè)設(shè)備之間的物理連接最短路徑,并計(jì)算物理連接的方向,存入數(shù)據(jù)庫(kù);從而支持快速查詢?cè)O(shè)備之間的邏輯關(guān)系和對(duì)應(yīng)的物理路徑。

a—某系統(tǒng)物理模型; b—物理連接圖; c—計(jì)算設(shè)備之間的邏輯關(guān)系; d—計(jì)算設(shè)備與管道團(tuán)的關(guān)系。圖6 機(jī)電系統(tǒng)機(jī)理模型計(jì)算與建模方法Fig.6 Automatic construction of MEP systems’ mechanism model

2.6 智能化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)融合方法

針對(duì)各個(gè)智能化系統(tǒng)之間難以數(shù)據(jù)共享的問題,本研究采用標(biāo)準(zhǔn)的信息通信協(xié)議集成各智能化系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流,如表 1所示;利用BIM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化優(yōu)勢(shì),將動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)與建筑空間、設(shè)備、系統(tǒng)快速匹配,最終將海量異構(gòu)數(shù)據(jù)匯集于數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。具體步驟如下。

表1 建筑智能化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口協(xié)議Table 1 Interface protocols of building intelligent systems

1)提取BIM中的空間、系統(tǒng)、設(shè)備、傳感器以及設(shè)備編號(hào)、傳感器編號(hào)等信息,存入數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù);

2)在邊緣網(wǎng)關(guān)中部署ETL腳本,過濾重復(fù)數(shù)據(jù)和臟數(shù)據(jù),支持?jǐn)嗑W(wǎng)續(xù)傳,確保數(shù)據(jù)完整轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù);

3)通過菜單配置的方式,將傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的編碼與BIM中設(shè)備編號(hào)或傳感器編號(hào)匹配,從而無(wú)需編寫代碼即實(shí)現(xiàn)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到BIM;如圖7所示,將BIM中配電系統(tǒng)的電表元素與能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的用電數(shù)據(jù)快速關(guān)聯(lián);

4)以時(shí)間、空間、系統(tǒng)、設(shè)備、傳感器類型等為維度建立數(shù)據(jù)立方體,支持對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多維度分類和統(tǒng)計(jì),并形成可視化圖表。

圖7 菜單式配置BIM與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的映射關(guān)系Fig.7 Mapping relations of BIM and dynamic monitoring data using menu

3 基于數(shù)字孿生的智慧運(yùn)維系統(tǒng)開發(fā)

結(jié)合實(shí)際需求,在數(shù)字孿生模型構(gòu)建基礎(chǔ)上,本項(xiàng)目開發(fā)了天文館建筑智慧運(yùn)維系統(tǒng),包括集成化運(yùn)維管理、可視化空間管理、機(jī)電設(shè)備運(yùn)維管理、維修管理和能耗管理等功能。由于本項(xiàng)目已投入運(yùn)維,系統(tǒng)需求較為明確和聚焦。

3.1 集成化運(yùn)維管理

針對(duì)現(xiàn)有運(yùn)維管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)分散、數(shù)據(jù)價(jià)值未能充分體現(xiàn)的問題,智慧運(yùn)維系統(tǒng)提供了基于數(shù)字孿生的集成化運(yùn)維管理功能,如圖8所示。該功能支持運(yùn)維人員在統(tǒng)一的模型中集中查詢?cè)O(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備預(yù)警和維修維保等信息,應(yīng)用機(jī)理模型分析故障原因和影響范圍,自動(dòng)調(diào)取附近攝像頭查看現(xiàn)場(chǎng)情況,快速調(diào)配維修班組和備品配件等運(yùn)維資源,主動(dòng)推送相關(guān)信息到維修班組,并支持維修班組將現(xiàn)場(chǎng)處理情況上傳系統(tǒng),形成閉環(huán)管理,如圖9所示。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)維數(shù)據(jù)流和工作流的融合,提升故障處理效率。

圖8 天文館智慧運(yùn)維系統(tǒng)的主頁(yè)面Fig.8 Home page of intelligent operation and maintenance system for Shanghai Astronomy Museum

圖9 移動(dòng)端故障報(bào)修處理Fig.9 Handle repair events using mobile phones

3.2 可視化空間管理

天文館的空間功能復(fù)雜,運(yùn)維管理人員根據(jù)竣工圖紙線下調(diào)配各個(gè)空間的使用部門和功能,溝通協(xié)調(diào)工作量大,效率低。智慧運(yùn)維系統(tǒng)支持管理人員利用模型查詢各個(gè)樓層的空間布局以及配電、通風(fēng)、消防的條件,快速完成各個(gè)房間的使用部門和功能的調(diào)配決策,滿足日益復(fù)雜的空間管理要求。

3.3 機(jī)電設(shè)備運(yùn)行管理

天文館中機(jī)電設(shè)備眾多,客流量大,保障機(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)天文館運(yùn)營(yíng)極為重要。智慧運(yùn)維系統(tǒng)基于模型可實(shí)現(xiàn)設(shè)備電子臺(tái)賬管理、運(yùn)行管理、維修管理等功能。具體介紹如下。

1)電子臺(tái)賬管理:基于模型自動(dòng)獲取機(jī)電設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù),建立設(shè)備臺(tái)賬信息,包括設(shè)備名稱、類型、供應(yīng)商等信息以及使用手冊(cè)、維護(hù)手冊(cè)等資料,為設(shè)備運(yùn)行管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù);

2)運(yùn)行管理:在模型中查看設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警信息,查詢故障設(shè)備的上游和下游的設(shè)備、閥門、管道和服務(wù)的空間,如圖 10所示;對(duì)于空調(diào)箱等重點(diǎn)設(shè)備,可以通過精細(xì)化模型查看設(shè)備監(jiān)測(cè)點(diǎn)位、報(bào)警的內(nèi)部構(gòu)件、維護(hù)維修方法等,用于日常培訓(xùn)和應(yīng)急維修,如圖 11所示;

3)維保管理:針對(duì)空調(diào)箱、電梯、冷水機(jī)組、冷卻塔等重點(diǎn)設(shè)備,根據(jù)維保要求制定周期性維保計(jì)劃,定期發(fā)起維保工單,分配給相關(guān)維保班組,支持在線處理、跟蹤和審核維保工作,保障設(shè)備性能。

圖10 查看設(shè)備服務(wù)范圍Fig.10 View of a device’s service scope

圖11 設(shè)備精細(xì)模型運(yùn)行狀態(tài)查看Fig.11 View of a device’s operation status in its fine model

3.4 在線化報(bào)修管理

智慧運(yùn)維系統(tǒng)還支持在線化報(bào)修管理。一方面,當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到機(jī)電設(shè)備發(fā)生故障時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)送報(bào)修工單,根據(jù)空間和設(shè)備類型推送給相應(yīng)維修班組。另一方面,游客或管理人員也可以通過電話、微信等方式上報(bào)故障,由后臺(tái)管理人員錄入維修工單,并人工分配給維修班組,實(shí)現(xiàn)在線化、閉環(huán)處理。

另外,系統(tǒng)以空間、系統(tǒng)等多個(gè)維度分析哪些區(qū)域故障比較多,或哪些系統(tǒng)故障比多,輔助主動(dòng)維修改造決策;還可以分析哪些維修班組工作比較多,計(jì)算各維修班組的績(jī)效;分析各維修班組的處理及時(shí)性,對(duì)維修服務(wù)工作進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。

3.5 能耗管理

在“碳中和、碳達(dá)峰”背景下,天文館運(yùn)維管理者也十分關(guān)注能耗情況,需要定期制定節(jié)能措施。智慧運(yùn)維系統(tǒng)支持在模型中查看各區(qū)域、各系統(tǒng)的用能情況和同比變化情況,分析各個(gè)房間、各個(gè)區(qū)域的用能密度,如圖 12所示;并針對(duì)用能異常區(qū)域,制定節(jié)能管理措施。

圖12 能耗分析數(shù)據(jù)Fig.12 Data analysis of energy consumption

4 智慧運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)用

天文館實(shí)際應(yīng)用中,2個(gè)BIM人員和2個(gè)運(yùn)維人員應(yīng)用MR設(shè)備和平板電腦,用7 d時(shí)間完成了3.7萬(wàn)m2建筑面積的模型審核,并用10 d時(shí)間完成了模型完善。該方法不但使得BIM滿足運(yùn)維要求,還同步完成了建筑空間和設(shè)備接管,為后續(xù)運(yùn)維人員采用BIM進(jìn)行運(yùn)維管理奠定了基礎(chǔ)。但為了減少對(duì)天文館運(yùn)營(yíng)的影響,現(xiàn)場(chǎng)審核時(shí)間大都選在晚上等非營(yíng)業(yè)時(shí)間,人工成本較高。另外,通過模型輕量化,將運(yùn)維BIM體量減少為施工BIM的20%左右,支持在三維引擎中流暢運(yùn)行,渲染效果逼真。接著,1個(gè)BIM人員在7 d內(nèi)修復(fù)了竣工BIM模型中跨樓層管道斷開、設(shè)備與管道連接斷開等建模問題,并在2 d內(nèi)完成了機(jī)電系統(tǒng)邏輯關(guān)系構(gòu)建。對(duì)比筆者之前采用人工方式對(duì)東方醫(yī)院新大樓進(jìn)行模型審核和系統(tǒng)機(jī)理建模的案例[7],該方法減少了30%的模型審核時(shí)間,節(jié)約了20%接管驗(yàn)收時(shí)間和大約95%的機(jī)電設(shè)備邏輯關(guān)系建模時(shí)間。

由于需要和4個(gè)系統(tǒng)的供應(yīng)商商量數(shù)據(jù)對(duì)接協(xié)議,BIM與智能化系統(tǒng)對(duì)接歷時(shí)大約6個(gè)月,而常規(guī)項(xiàng)目只需要1個(gè)月左右時(shí)間。首先運(yùn)維團(tuán)隊(duì)使用1個(gè)月時(shí)間完成了4個(gè)系統(tǒng)的驗(yàn)收和審核,提出了數(shù)據(jù)對(duì)接的要求和存在的施工質(zhì)量問題,并形成了與弱電分包的補(bǔ)充協(xié)議和質(zhì)量問題處理聯(lián)系單;接著,天文館與施工總包和弱電分包通過4個(gè)月的溝通,達(dá)成了智能化系統(tǒng)數(shù)據(jù)開放和整改補(bǔ)充協(xié)議;最后,弱電分包通過1個(gè)月時(shí)間交付了滿足需求的數(shù)據(jù)開放協(xié)議,并對(duì)智能化系統(tǒng)大部分遺留問題進(jìn)行了整改。本項(xiàng)目由于在開館后實(shí)施,很多系統(tǒng)供應(yīng)商已退場(chǎng),協(xié)同困難;導(dǎo)致電梯監(jiān)測(cè)、智能照明、室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)、安防巡更、門禁、停車管理等10多個(gè)系統(tǒng)未能對(duì)接,對(duì)智慧運(yùn)維系統(tǒng)的功能完整性影響較大。

本項(xiàng)目通過9個(gè)月左右完成了智慧運(yùn)維系統(tǒng)建設(shè),并在上海天文館完成了為期6個(gè)月的試運(yùn)行。實(shí)際應(yīng)用情況如圖 13所示,逐步實(shí)現(xiàn)從被動(dòng)式運(yùn)維模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)式運(yùn)維模式,對(duì)后勤、基建和安保等部門具有顯著的價(jià)值。利用系統(tǒng)三維可視化特點(diǎn),后勤部可對(duì)外部物業(yè)人員進(jìn)行培訓(xùn)和工作交底,方便物業(yè)人員快速熟悉建筑布局和系統(tǒng)運(yùn)行情況,提高了物業(yè)人員運(yùn)維管理水平。使用過程中,后勤部門接收了132項(xiàng)設(shè)備報(bào)警,發(fā)起了572項(xiàng)報(bào)修工單;通過內(nèi)置處理流程,輔助運(yùn)維人員將報(bào)警與工單進(jìn)行快速處理,平均故障處理時(shí)間減少30%以上。基建部門應(yīng)用模型為空間改造和設(shè)施維修提供參考,提高決策效率。運(yùn)維過程中系統(tǒng)識(shí)別到閉館時(shí)段內(nèi),展廳空調(diào)開啟的異常情況12次;識(shí)別到會(huì)議室、辦公區(qū)空調(diào)被設(shè)置為18度的異常情況22次;識(shí)別到用能超高的5個(gè)空調(diào)設(shè)備,調(diào)研發(fā)現(xiàn)這些空調(diào)服務(wù)的房間,經(jīng)常出現(xiàn)同時(shí)打開空調(diào)和窗戶的情況。由于系統(tǒng)未能實(shí)現(xiàn)與空調(diào)系統(tǒng)的智能控制,因此系統(tǒng)將識(shí)別出的異常情況推送給運(yùn)維管理人員,通過管理手段進(jìn)行處理,節(jié)能效果顯著。

圖13 天文館智慧運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)景Fig.13 Application of intelligent operation and maintenance system in Shanghai Astronomy Museum

5 開館后建設(shè)智慧運(yùn)維系統(tǒng)存在的問題與應(yīng)對(duì)舉措

5.1 智能化系統(tǒng)對(duì)接困難

開館后建設(shè)智慧運(yùn)維系統(tǒng)有以下三方面挑戰(zhàn):1)科技展館智能化系統(tǒng)復(fù)雜,子系統(tǒng)已達(dá)20多個(gè),且由不同的供應(yīng)商提供;這些系統(tǒng)采取相對(duì)獨(dú)立的控制軟件,跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享問題較突出,難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合和集中管理[8];2)智能化系統(tǒng)的竣工資料由供應(yīng)商交給弱電分包,再交給總包,最后交付業(yè)主,各環(huán)節(jié)缺乏審核,資料完整性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性驗(yàn)證困難,實(shí)際使用效果不佳;3)二次裝修過程中對(duì)智能化系統(tǒng)維護(hù)不重視、不及時(shí),部分傳感器被破壞,影響實(shí)際使用[9]。

基于以上挑戰(zhàn),本項(xiàng)目提出了三方面的舉措:1)根據(jù)運(yùn)維需求,明確需要對(duì)接的智能化系統(tǒng),包括BA系統(tǒng)、能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和安防報(bào)警系統(tǒng);并提出了適宜的數(shù)據(jù)對(duì)接和驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn),包括傳感器編號(hào)、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)連通等方面;2)與相應(yīng)供應(yīng)商簽訂補(bǔ)充協(xié)議,要求提供數(shù)據(jù)共享接口和對(duì)破壞的傳感器進(jìn)行修復(fù);如有需要,可提供一定費(fèi)用;3)梳理弱電分包原有工作的問題,對(duì)弱電分包單位提出相應(yīng)整改意見,要求其在維保期內(nèi)完成問題整改和補(bǔ)充協(xié)議相關(guān)內(nèi)容;4)要求總包、弱電分包和相關(guān)供應(yīng)商根據(jù)《建筑電氣與智能化通用規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范和合同要求,對(duì)需要對(duì)接的系統(tǒng)進(jìn)行再次調(diào)試和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、完整性驗(yàn)收,包括傳感器編號(hào)、位置、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和報(bào)警預(yù)制等方面;驗(yàn)收合格后,才算完成保修期內(nèi)工作;否則不支付工程尾款。

5.2 模型與現(xiàn)場(chǎng)一致性勘查困難

數(shù)字孿生模型創(chuàng)建需要對(duì)機(jī)電設(shè)備、開關(guān)閥門、主要管線和傳感器點(diǎn)位等進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查,確保模型與現(xiàn)場(chǎng)一致性。在開館后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查工作,需要進(jìn)入已投入使用的展廳等區(qū)域,協(xié)調(diào)工作量大;并且很多管線和閥門已被吊頂?shù)日谧?勘查困難。因此,現(xiàn)場(chǎng)勘查是建立使用中建筑BIM的普遍問題[10]。

針對(duì)上述問題,本項(xiàng)目采用以下措施解決:1)結(jié)合實(shí)際運(yùn)維需求,梳理運(yùn)維關(guān)注的重點(diǎn)房間、設(shè)備、閥門、末端、管線等元素的臺(tái)賬,根據(jù)竣工圖紙明確所在位置和所屬系統(tǒng);2)根據(jù)運(yùn)維需求和《上海市房屋建筑施工圖、竣工建筑信息模型建模和交付要求》等標(biāo)準(zhǔn),制定各類元素的幾何數(shù)據(jù)和屬性信息的允許誤差,如表 2所示;3)與各個(gè)區(qū)域的使用部門協(xié)商時(shí)間,先勘查設(shè)備機(jī)房、管道井等后勤負(fù)責(zé)的區(qū)域,再勘查展廳和辦公區(qū),盡量減少對(duì)科技館運(yùn)營(yíng)的影響;4)對(duì)設(shè)備機(jī)房、管道井、走廊吊頂?shù)裙艿缽?fù)雜的區(qū)域采用MR技術(shù),分區(qū)域、分樓層、分系統(tǒng)逐個(gè)排查模型與現(xiàn)場(chǎng)的一致性,對(duì)幾何位置和尺寸誤差超過允許范圍的,采用MR設(shè)備直接測(cè)量、標(biāo)記,方便后續(xù)修改;對(duì)不超過誤差的偏差可以文字標(biāo)記,或不做修改,從而提高模型審核和修改效率;5)采用平板電腦對(duì)所有房間、設(shè)備、開關(guān)閥門、末端和管線的屬性信息進(jìn)行核對(duì),譬如名稱、編號(hào)、型號(hào)、材質(zhì)、供應(yīng)商和重要參數(shù)等信息;若不一致,可以直接根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況修改模型的相關(guān)屬性;對(duì)于屬性差異較大的,現(xiàn)場(chǎng)先拍照上傳,后續(xù)再統(tǒng)一修改,提高效率;6)對(duì)于吊頂無(wú)法打開的區(qū)域,可以通過該區(qū)域附近的檢修口,采用MR、平板電腦等設(shè)備對(duì)檢修口可見區(qū)域的設(shè)備和管線進(jìn)行復(fù)核;若存在誤差,通過修改可見區(qū)域的管線,擬合不可見區(qū)域的設(shè)備和管線。

表2 竣工模型現(xiàn)場(chǎng)勘查要求Table 2 Requirements for site survey of as-built model

6 結(jié) 論

1)智慧運(yùn)維系統(tǒng)建設(shè)對(duì)復(fù)雜文化場(chǎng)館運(yùn)維價(jià)值顯著,包括提高空間分配效率,提升運(yùn)維人員培訓(xùn)效果,提高建筑故障維修效率30%以上,監(jiān)督設(shè)備按時(shí)維保,提升建筑可靠運(yùn)行性等。對(duì)能耗數(shù)據(jù)的多維度分析,可以快速識(shí)別和定位空調(diào)溫度設(shè)置過低、空開等異常情況,提高建筑節(jié)能管理精細(xì)化水平等。

2)通過基于MR和平板電腦的BIM模型審核和完善、基于圖論的系統(tǒng)機(jī)理模型自動(dòng)構(gòu)建和“零代碼”的智能化系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合等技術(shù),可以提升數(shù)字孿生模型構(gòu)建效率30%以上,為智慧運(yùn)維提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。其中MR設(shè)備可以直接測(cè)量實(shí)體與模型的幾何誤差,方便審核和修改幾何數(shù)據(jù);運(yùn)維人員使用模型進(jìn)行接管驗(yàn)收,即可審核和完善模型的屬性信息,也可提升接管效率,具有推廣價(jià)值。

3)文化場(chǎng)館智能化系統(tǒng)種類多、各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)不互通,開館后進(jìn)行智能化系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合工作量大;因此,建議在智能化系統(tǒng)建設(shè)中提前策劃,在建設(shè)合同中明確數(shù)據(jù)共享要求,并在竣工中針對(duì)性驗(yàn)收共享數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。鑒于常見的BA、能耗監(jiān)測(cè)和視頻監(jiān)控等系統(tǒng)都有通用的數(shù)據(jù)開放接口,因此開館后、維保期內(nèi)仍能夠進(jìn)行智能化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合;但數(shù)據(jù)對(duì)接周期會(huì)增加4個(gè)月左右,且只能對(duì)接少數(shù)、重要系統(tǒng),使得智慧運(yùn)維系統(tǒng)功能具有一定局限性。