基于BIM的測控系統運維全生命周期管理平臺的設計與實現

+楊敏英 郭青（西安衛星測控中心 喀什測控站） 朱峰（東方紅衛星移動通信有限公司）

1.引言

測控系統運維人員更換頻繁，對運維人員素質要求較高，運維甚至需要周期性無人化。如何讓運維人員對眾多設備及系統全生命周期信息進行快速掌握，以及運維管理工作流程化、規范化，傳統的信息溝通和管理方式已遠遠不能滿足要求。實踐證明，信息錯誤傳達或不完備是造成眾多系統故障、系統亞健康事件的根本原因，而BIM技術通過三維的共同工作平臺以及三維的信息傳遞方式[1]，并采取物聯網技術對關鍵信息實時更新，可以為運行維護一體化提供良好的技術平臺和問題解決思路，為保障測控系統穩定可靠運行提供可能。

2.測控系統運維管理現狀及存在問題

測控系統運維管理主要集中在系統運行和維護的過程管理上。目前測控系統在裝備運行與維護過程中的管理方面存在較大空白，并沒有實現完整的運維功能整合。為了解決某些型號任務功能的需要，許多系統、設備、軟件必須短期內開發完成，對系統間的互聯互通缺乏周密的考慮，形成各自獨立的系統，信息分散，產生了很多“信息孤島”，不能充分發揮系統功能。

裝備運行方面，測控系統每套系統有規范的流程方法，但人員的工作職責以及工作執行情況監管有所失控，人員對工作的完成情況和操作的正確性時常處于失控狀態。裝備軟硬件變更歷史未能直觀的體現。裝備維護方面，在用線纜的參數、性能狀態、使用時間、歷史“遭遇”未可知。庫存的備品備件狀態清楚，但采用維護記錄登記的方式很難在應急時第一時間做到最快、最好的選擇。對系統設備維護不規范、歷次維護發現的問題、歷次維護結果等信息不具備信息化、集中統一管理能力，歷史數據缺失則無法實現長期設備狀態趨勢分析，影響預防性維修工作的有效開展。綜上，加之不同裝備可靠性程度差異大，如此將不利于較長一段時間“人員流動性高”的現狀以及未來“無人、少人”引發的急迫問題。

3.BIM技術與物聯網技術及應用架構

3.1 BIM技術及應用架構

基于模型的信息化管理BIM（Building Information Modeling）是以系統的各項相關信息數據作為基礎，管理三維模型，通過數字信息仿真模擬系統所具有的真實信息。它具有信息完備性、信息關聯性、信息一致性、可視化、協調性、模擬性、優化性和可出圖性八大特點[5]。其中，信息完備性，包括完整的信息描述，如對象名稱、結構類型等設計信息，還包括施工信息、維護信息等。可視化，即所見即所得，模型三維的立體實物圖形可視，方便溝通、討論與決策。協調性，針對項目信息出現的“不兼容”，使用有效BIM協調流程進行協調綜合，減少不合理的變更方案。模擬性，可實現3D畫面的模擬，4D發展時間上的模擬，5D造價控制上的模擬。優化性，是對項目方案的優化，利于開發人員選擇更有利于自身需求的方案，以及對難度比較大和問題比較多的方案進行優化。BIM不再像CAD一樣只是一款軟件，而是一種管理手段，是實現系統管理精細化，信息化管理的重要工具。

BIM通過兩點達到以上目的：第一，數據產生的第一時間收集數據；第二，后續環節可以方便使用前面環節已經收集的數據，避免錯誤，減少重復勞動。從國內外應用的成果看，BIM可以改善傳統的工作流程，打破信息孤島的壁壘，將大幅提升設計、施工、運維乃至質量管理、效率管理效能。該項目BIM部分基于成熟的Abimo軟件，基于API-SDK開發和腳本，進行開發。項目全生命周期中的BIM技術如圖1。

3.2 BIM建模過程

（1）制定建模規范

以按地物（樓層）拆分、按構件（設備）拆分、按區域拆分的原則對系統進行建模，分為建筑、結構、機電、裝備系統四個專業的模型創建。即最終將會產生四個模型，精細程度到線纜、信號點。

（2）BIM建模過程

一個項目完整的BIM模型，構件的數量級在十萬級以上是很正常的。在建模過程中一般都是團隊協作，共同完成模型的創建。建模過程及步驟如下：

1.整理資料。根據圖紙、設計初步布局，規劃基本建筑圖元、水單元、電單元、構架設備組建、對纜線進行編號，并制定建模規范。

2.BIM重構。對現有系統依據建模規范進行三維建模，并輸入相關屬性信息，裝備系統標定系統連接拓撲關系及關鍵電氣連接參數。

3.交互審核。依據建模規范及現有系統拓撲關系，由相關系統維護人員進行建模成果審核，審核完成后成果存入SBM DB數據庫。

4.數據融合。將BIM數據與地理信息系統進行對接，使得顯示三維地理坐標與BIM模型坐標保持一致，為今后的BIM模式應用打下基礎。

3.3 物聯網技術及應用架構

物聯網的技術體系框架包括感知層技術、網絡層技術、應用層技術及公共技術。感知層，主要用于采集物理事件和數據，包括各類物理量、標識、音視頻數據。物聯網的數據采集適用于局域網的涉及傳感器、RFID等技術。網絡層，實現更加廣泛的互聯功能，能夠把感知到的信息無障礙、高可靠性、高安全性地進行傳送，需要傳感器網絡與通信技術相融合。應用層實現跨系統之間的信息協同、共享、互通的功能。公共技術不屬于物聯網技術的某個特定層面，而是與物聯網技術架構的三層都有關系，包括標識與解析、安全技術、網絡管理等。

物聯網系統應用架構，如圖2。

圖2 物聯網系統應用架構

圖中傳感器采用非入侵的低功耗、低成本、低復雜度傳感器，涉及溫度、濕度、電流、電源、振動、無線電頻點場強、纜線拉力、門柜啟閉、人員檢測以及電信號等傳感器。

4.基于BIM技術的測控系統運維全生命周期管理平臺

4.1 總體框架

系統總體框架由 BIM基礎數據、平臺服務層、應用層、物聯網API接口層，實現日常維護、資產管理、應急預案、培訓模擬四大功能，如圖3。其中日常運行維護包括設備關鍵步驟操作、巡檢、壽命到期設備及接插件更換等。資產管理包括進出建筑物設備及備品備件自動統計、物聯網自動盤點、冗余設備及電纜清理與報廢。應急預案包括突發事件及突發故障，可視化預案維護及搶修。培訓模擬包括新到崗工作人員培訓與考核、故障處理模擬。

本研究擬對測控系統進行BIM從構，并采用非入侵的低功耗、低成本、低復雜度的傳感器進行廣譜物聯網感知，感知數據到達后進入大數據系統，采用AI技術對大數據系統數據進行人工智能分析與脫敏，并分發到已有PHM系統或SCADA系統，脫敏后的數據分發到對應研究機構進行二次研究，為AI人工智能學習提供訓練模板。需要建立兩個基礎系統即：BIM系統、IOT系統。BIM基礎系統，現有測控系統進行重構，涉及地理屬性、設備屬性、纜線屬性、氣象環境屬性，實現地理環境可視、物可視、動態信息可視、氣象環境可視。IOT基礎系統在原有專業傳感器基礎上，增加非入侵的低功耗、低成本、低復雜度傳感器，例如溫度、濕度、電流、電源、振動、無線電頻點場強、纜線拉力、門柜啟閉、人員檢測以及電信號等傳感器。

圖3 總體框架

在以上兩個基礎系統的基礎上，支持已有業務系統的運行。例如：PHM系統、SCADA系統，并新研制部分業務系統，如：可視化拓撲圖系統、維護預案培訓系統、維護遠程指導專家系統、物資管理系統等。其中維護預案、培訓系統可編制周、月、季度維護可視化預案及備品備件清單。可編制常見故障處理可視化預案及涉及備品備件清單。可以大幅度提高運維人員運維技術水平并可進行模擬運維對運維人員進行考核，提高一次性進入成功率，減少因為人員素質及物資攜帶的原因造成的二次進入維護。物資管理系統采用UHF RFID、LORA RFID進行支撐，在預案系統與專家系統的支撐下，自動生成進入物資清單、使用手持裝置進行非接觸快速盤點，為一線運維提供有力支撐[3]。可視化拓撲圖系統，在BIM的基礎上進行可視化系統拓撲圖，并在拓撲圖上標注對應傳感器量及合格傳感器量，做到物可視、狀態可視。供遠程監管人員使用及維護人員使用。物資管理部分系統架構[4]，如圖4。

4.2 關鍵技術設計與實現

4.2.1 三維可視化建模

建模采用BIM軟件進行建模，要根據測控系統的需求制作所要使用的電氣族文件。電氣設備、電氣橋架、電管、導線、天線、標注等都是不同類型的族，電氣族在二維平面圖上既要滿足國標的制圖標準，在三維模型上又要符合事物的實際樣貌，還需賦予尺寸、性能、負荷類型、電氣參數等一系列屬性參數[5]。

（1）建筑物建模與維護

對建筑物進行建模與真實世界保持一致。纜線建模與維護：對主要纜線實際位置，所處建筑物位置進行真實再現。纜線貼UHF RFID標簽，纜線的編號、類型等信息和每根纜線三維模型掛接，實現對每根纜線定位查詢。

（2）設備建模與維護

建模與真實設備一樣的三維模型與三維系統掛接并放置在真實位置，可通過關鍵詞查詢某個設備，然后自動定位到設備，并由UHF RFID標簽展示設備的相關信息。支持模糊查詢和精度查詢。

從而實現基于三維實時互動引擎技術的測控系統可視化，可以滿足全仿真式測控系統運維需要，層次化遞進瀏覽監控區域、機房、機柜、設備、端口、天線。如圖5。

圖4 物資管理系統構架

圖5 機房三維可視化圖

4.2.2 平臺服務層數據接入

物聯網服務器需要完成設備與服務器端之間安全可靠的雙向連接，以支撐海量設備的數據收集、監控、故障預測等各種物聯網場景信息、并將接收到數據存入空間數據庫與時序數據庫。

平臺服務層空間數據庫需要根據不同的后果評估模型及項目要求，確定最優的數據模型、處理模式、存貯結構、存取方法，建立能反映現實世界的地理實體間信息之間的聯系，又能被一定的DBMS接受，同時能實現系統目標并有效地存取、管理數據的數據庫。簡言之就是把現實世界中一定范圍內存在著的應用數據抽象成一個數據庫的具體結構的過程，并將在線獲得的物聯網數據疊加入空間數據庫，供后果評估服務器進行查詢與分析。

平臺服務層時序數據庫（Time Series Database，簡稱TSDB）是用于管理時間序列數據的專業化數據庫。區別于傳統的關系型數據庫，時序數據庫針對時間序列數據的存儲、查詢和展現進行了專門的優化，從而獲得極高的數據壓縮能力、極優的查詢性能，特別適用于處理海量的時間序列數據），空間數據庫與時序數據庫關聯，并以時間為維度進行數據存儲、并將在線獲得的物聯網數據疊加入時序數據庫，供后果評估服務器進行查詢與分析。

平臺服務層后果評估服務器實現根據后果評估系統提交的后果評估計算模型，讀取空間數據庫、時序數據庫，計算實時結果及時間軸預測結果，并將計算后的數據存儲到空間&時序數據庫對應表中、供系統調用。

4.2.3 物聯網感知層實現

使用物聯網技術手段對相關設備進行非侵入式物聯網監測，如溫度、電流、電壓、射頻參數、振動、俯仰角、傾斜角、方向角等。溫度傳感器采用粘貼式安裝在指定設備，如電機、機箱、機柜內部、動力電纜等處，均采用本安電池供電，微功率無線通信。電流傳感器采用穿芯式安裝在指定設備供電電纜接入處，均采用本安電池供電，微功率無線通信[6]。

射頻參數采用網絡型頻譜分析儀對重要工作頻點進行開放式監測。振動傳感器采用螺絲緊固在振動設備上，均采用本安電池供電，微功率無線通信。俯仰角、傾斜角、方向角采用高精度陀螺儀貼在天線設備參考位，進行監測。以上監測結果統一匯入平臺服務層。

使用物聯網技術手段對設備所在建筑物的人流、物流、設備流進行監測。如機柜、設備箱啟閉情況、人員到位情況、設備及資產進出建筑情況。進入系統所在建筑物人員佩戴智能工牌，從而實現人流監測。進入系統所在建筑物的物資及設備均貼有UHF RFID，關鍵門均安裝有門禁式閱讀器實現物流、設備流進出監測。相關門、機柜門、設備維護門安裝有物聯網門磁傳感器，實現門的啟閉監測。非侵入式物聯網監測，是指所安裝的物聯網傳感器不與現有業務系統進行電氣互聯與物理互聯，獨立式工作從而保障系統安全。

4.2.4 日常運行維護實現

（1）運行操作：系統重構后，對設備操作中的關鍵步驟可設定流程、標準動作，傳感器將感知到的動作信息傳回系統，由系統進行操作正確性檢查。

（2）設備巡檢：工作人員佩戴智能工牌，實現在建筑物里人員厘米級定位，從而實現實時跟蹤，報警提示，歷史回放，線路巡檢，事件處理等過程記錄，并動態展現在三維系統中。

（3）設備檢修：在BIM系統中，規劃維修方案。并設定維修線路，匹配救援工具的種類及數量。通過故障的原因，進行故障定位，確定系統出現故障的位置，并顯示出該位置的位置。

（4）故障監視報警：主要計算電流、電壓等物聯網數據及系統歷史運行數據通過集成實時監控系統，分析設備數據，可以對有故障隱患相關設備進行閃爍報警。

（5）遙視系統：在三維場景中顯示所有監控的位置分布，可以隨時查詢缺陷位置附近的攝像頭分布情況，調取遙視系統圖像。

4.2.5 資產管理實現

包括資產的新增、調撥、閑置、報廢、維修和盤點等操作，它包含了設備從購置、投入使用到報廢的全過程。設備投入使用前加裝電子標簽，標簽內寫入資產的信息，每次進行資產管理操作時，讀寫器都會讀到資產上的電子標簽并將信息發送到資產管理平臺服務層進行處理，從而實現資產的跟蹤管理[7]。

系統實現資產精確定位，在設備及線纜貼UHF RFID，可使用移動閱讀器讀取到標簽，移動閱讀器會顯示該設備或線纜所在系統位置及該設備其他相關信息，并可以寫入維護信息，同步到平臺服務層數據庫。門禁式閱讀器，可以實現對資產標簽進出的100%識讀。對異常的資產進出進行告警，系統后臺記錄資產進出信息。門禁式閱讀器如下圖所示。覆蓋區域為半徑為3-5m的扇形區域。

如圖6所示：

（1）在待入區域給器材貼標簽（TAG）或掛鉛封標簽（TAG），使用手持終端將數據同步更新到數據庫軟件。

圖6 資產管理

（2）在關鍵通道門上方安裝TAG閱讀器，對出入機房器材進行實時監控和出入機房操作，將出入庫數據通過CAN總線傳輸到器材管理數據庫。

（3）在電腦上安裝器材管理軟件（數據來源于器材管理數據庫），實現對入機房、出機房、盤點、報廢、報損等數據的處理和查詢統計工作。

（4）在手持終端安裝器材管理軟件，實現機房器材的盤點、更換、報損、報廢等工作。

4.2.6 可視化應急預案及培訓模擬的實現

在對系統進行重構的基礎上，將各類應急預案、維修操作以BIM形式呈現，可直觀反映操作對象、內容、方法、流程等，等同于實物操作、演練。解決了設備任務密集無法實際操作，或操作有一定風險的措施操作難以實施的難題。

將培訓內容可視化呈現在學員眼前，可直觀、身臨其境地看到、摸到培訓內容，學員通過系統自學培訓內容，等同于實物操作，然后通過實物操作檢驗學習效果即可，大大提高了培訓效果。

5.結論

基于BIM技術與物聯網技術的測控系統運維全生命周期管理平臺，以維護大于維修、培訓大于培養的理念進行構架，彌補了PHM及SCADA系統存的缺陷，更多的強調了操作、維護標準化、維修、應急、培訓可視化。新的技術手段讓到崗人員快速熟悉裝備系統、可視化模擬系統維護過程，可視化重大活動預案，對統一的工作內容、流程，統一的思想、統一的價值觀念，建立標準化管理的基礎。BIM與IOT在我國測控類系統中尚未得到有效挖掘，美國NASA已經發展的非常快，并在多個系統得到應用，美國已經制定BIM標準，我國從“十五”科技攻關計劃中已經開始了對BIM技術相關研究的支持。經過這么多年的發展，在設計和施工階段已經被廣泛應用，而在設施維護中的應用案例并不是很多。在運營維護階段，BIM技術需求非常大，尤其是對于復雜系統的運營維護，其創造的綜合效益不言而喻[7]。隨著這幾年物聯網的高速發展，BIM與IOT技術在運維階段的應用也迎來一個重要契機。