低軌衛(wèi)星信關(guān)站可視化運(yùn)維關(guān)鍵技術(shù)研究

李 洪，劉化召

（1.中國鐵塔股份有限公司，北京 100010；2.中通服軟件科技有限公司，上海 200127）

0 引 言

地面信關(guān)站是為用戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)的主要基礎(chǔ)設(shè)施，也是運(yùn)營商開展衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營管理的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，主要承擔(dān)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)饋電信號上下行傳輸、與地面信息通信網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通以及網(wǎng)絡(luò)管理等任務(wù)。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）具有可視化、參數(shù)化、協(xié)同性、模擬仿真等特點(diǎn)，能夠?qū)π抨P(guān)站的設(shè)計(jì)、分析、采購、施工和運(yùn)維全過程進(jìn)行管理[1-5]。

1 應(yīng)用場景及需求分析

信關(guān)站設(shè)計(jì)及建設(shè)過程，相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)、分析計(jì)算結(jié)果、設(shè)備信息、施工過程數(shù)據(jù)等需要以參數(shù)化數(shù)據(jù)庫的方式，在上下游相關(guān)單位進(jìn)行協(xié)同、流轉(zhuǎn)，從而提高信關(guān)站建設(shè)及管理水平。

信關(guān)站科學(xué)、高效的運(yùn)維管理，需要基于可視化技術(shù)的管理系統(tǒng)，集成運(yùn)維管理體系，提供高效的監(jiān)控管理手段，達(dá)到快速響應(yīng)需求、預(yù)測性維護(hù)、設(shè)備決策分析等作用，從而保障信關(guān)站的正常、穩(wěn)定運(yùn)行。

基于BIM技術(shù)的信關(guān)站可視化運(yùn)維，對于全網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)性能管理、設(shè)備監(jiān)測、故障切斷、頻譜監(jiān)視、頻率功率控制等，提供了更直觀、集成度更高的管理平臺，大大提升了信關(guān)站運(yùn)維效率和自動化水平；形成了信關(guān)站資產(chǎn)的統(tǒng)一視圖數(shù)據(jù)資源，支持集約化的信息管理、管理業(yè)務(wù)規(guī)劃及資源調(diào)配[6-10]。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

信關(guān)站可視化運(yùn)維，主要通過BIM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，通過BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)信關(guān)站各階段數(shù)據(jù)、各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備參數(shù)、各運(yùn)維業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等的集成管理及可視化展示，需要依托統(tǒng)一的可視化信息模型，滿足瀏覽器和移動端訪問的需要，信關(guān)站BIM模型的參數(shù)化、輕量化、模型信息數(shù)據(jù)庫等技術(shù)成為關(guān)鍵點(diǎn)。

2.1 參數(shù)化模型

參數(shù)化幾何描述可以將單個圖元做到最極致的輕量化，避免了通過三角網(wǎng)頂點(diǎn)去構(gòu)建一個三維對象所必須的大量坐標(biāo)數(shù)據(jù)，能夠很好地支持精確測量、布爾運(yùn)算（流水段切割圖元）等，處理過程如圖1所示。

圖1 參數(shù)化幾何處理流程

2.2 模型輕量化

根據(jù)不同的應(yīng)用場景、對模型精細(xì)度的不同要求，有針對性地對BIM中的每個部件設(shè)置不同的切割參數(shù)，從而減少三角網(wǎng)的數(shù)量，達(dá)到輕量化的目的。三角網(wǎng)輕量化的幾何處理過程如圖2所示。

圖2 三角網(wǎng)輕量化幾何處理流程

通過BIM輕量化引擎提取BIM文件模型信息，將輕量化后的幾何數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)同步到應(yīng)用服務(wù)器，作為輕量化模型展示的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；輕量化后的幾何數(shù)據(jù)通過WebGL進(jìn)行重構(gòu)展示。

輕量化模型具備以下能力：

（1）模型輕量化：能夠通過瀏覽器、移動端展示。

（2）模型疊加：能將多個輕量化模型疊加展示。

（3）模型放大、縮小、旋轉(zhuǎn)：能夠?qū)p量化后的模型進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)查看。

（4）多角度查看：能夠通過指南針調(diào)整顯示角度。

（5）構(gòu)件高亮顯示：能夠高亮顯示所選中的構(gòu)件。

（6）構(gòu)件顏色設(shè)置：能夠自定義設(shè)置構(gòu)件顏色。

（7）構(gòu)件展示設(shè)置：能夠設(shè)置構(gòu)件透明、取消透明、隱藏、取消隱藏。

（8）模型剖切：能夠沿X、Y、Z、自定義軸對模型剖切并進(jìn)行展示。

2.3 模型庫管理

信關(guān)站的不同建設(shè)及應(yīng)用管理特點(diǎn)，將會形成多種輕量化模型信息。為了減少相同類型模型存儲空間，為相關(guān)模型建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，提高模型利用效率，需要建立統(tǒng)一模型庫，支撐信關(guān)站統(tǒng)一可視化運(yùn)維。

模型庫的管理，采用模型與屬性分離策略，實(shí)現(xiàn)幾何模型的復(fù)用、屬性的靈活適配。將不同模型按照類型、型號統(tǒng)一編碼；根據(jù)應(yīng)用場景，對不同模型屬性按照應(yīng)用信息建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過這些方式，形成統(tǒng)一、靈活、滿足各種應(yīng)用的輕量化模型庫，在模型展示時，快速定位到所關(guān)聯(lián)的屬性信息[10-15]。

3 基于BIM的信關(guān)站運(yùn)維系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)引入BIM輕量化引擎，對信關(guān)站設(shè)計(jì)模型（RVT文件）進(jìn)行輕量化處理，實(shí)現(xiàn)輕量化模型展示能力，包括模型瀏覽（放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、構(gòu)件透明、構(gòu)件隱藏、模型局部展示以及模型剖切）、模型三維視圖、二維導(dǎo)航等功能。同時系統(tǒng)根據(jù)信關(guān)站運(yùn)維需要，在BIM輕量化模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建適用于運(yùn)維的3D信息模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源、網(wǎng)絡(luò)容量、站房溫濕度、設(shè)備告警等信息管理。

3.1 支撐應(yīng)用視圖

軟件應(yīng)用架構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件應(yīng)用架構(gòu)

3.2 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

整個應(yīng)用架構(gòu)采用數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用分離的思路實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析等功能；并通過數(shù)據(jù)集市對外提供數(shù)據(jù)應(yīng)用程序界面（Application Programming Interface，API），供各類專題構(gòu)建分析應(yīng)用。充分體現(xiàn)軟件分層、軟件重用、數(shù)據(jù)抽象服務(wù)等設(shè)計(jì)思想。

系統(tǒng)基于分層解耦體系，形成平臺獨(dú)立、架構(gòu)松耦合、分布式、多層組件的系統(tǒng)架構(gòu)，充分保證了系統(tǒng)的可伸縮性、可擴(kuò)展性、可靠性和動態(tài)性。

具體技術(shù)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 軟件技術(shù)架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)采集。通過Ansible、Zabbix、采集程序等方式實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、安全設(shè)備、存儲設(shè)備、虛機(jī)等設(shè)備的性能采集。

（2）數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)存儲分為數(shù)據(jù)庫存儲、文件存儲，滿足基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、流量數(shù)據(jù)、性能數(shù)據(jù)等存儲的需要。

（3）業(yè)務(wù)功能。滿足信關(guān)站基礎(chǔ)設(shè)施管理維護(hù)；實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、站房設(shè)備等性能展示、告警監(jiān)控；滿足信關(guān)站網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)開通、設(shè)備運(yùn)維的需要。

（4）訪問方式。提供業(yè)務(wù)平臺、門戶、App等多種方式，滿足用戶不同維度的需要。

3.3 系統(tǒng)應(yīng)用分析場景

通過BIM輕量化技術(shù)，對信關(guān)站BIM模型進(jìn)行輕量化展示，實(shí)現(xiàn)信關(guān)站BIM模型中的資產(chǎn)展示、容量展示、管線展示、動環(huán)監(jiān)控、告警定位以及巡檢展示等。

3.3.1 資產(chǎn)展示

場景描述：通過信關(guān)站設(shè)備資產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹①Y源關(guān)聯(lián)關(guān)系等的可視化、層次化展示，通過BIM輕量化模型，充分掌握信關(guān)站的各類型資產(chǎn)信息，并能正常還原展示BIM模型中的資產(chǎn)信息，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)站層、設(shè)備位置、設(shè)備、設(shè)備構(gòu)件、設(shè)備關(guān)聯(lián)的分級直接瀏覽，同時可快速搜索、定位目標(biāo)設(shè)備。單擊任何一個資產(chǎn)設(shè)備查看該設(shè)備的資產(chǎn)情況：設(shè)備信息、安裝應(yīng)用信息、歸屬信息、運(yùn)維信息等內(nèi)容。

3.3.2 容量分析

場景描述：信關(guān)站的設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、耗電等信息通過二維表格描述難以數(shù)字化管理與分析，無法很好地支撐信關(guān)站內(nèi)資源的擴(kuò)容需求，通過三維容量分析，使信關(guān)站管理人員能夠一目了然地查看到當(dāng)前站內(nèi)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)或電力的使用情況。系統(tǒng)通過樹形數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和三維場景展現(xiàn)兩種方式同時表現(xiàn)信關(guān)站容量整體使用情況，實(shí)現(xiàn)資源容量可用性動態(tài)統(tǒng)計(jì)，包括站內(nèi)空間U位可用性、用電量分布和設(shè)備承重分布情況統(tǒng)計(jì)，對于已用容量和可用容量進(jìn)行精確統(tǒng)計(jì)和展現(xiàn)，更加有效地管理信關(guān)站的容量資源，使得各類資源的負(fù)荷更加均衡，使運(yùn)維人員可以實(shí)現(xiàn)更細(xì)顆粒度、更高關(guān)聯(lián)度的容量管理，更加清晰地掌握當(dāng)前的容量情況。

3.3.3 管路配線

場景描述：信關(guān)站內(nèi)管線復(fù)雜，一方面管線種類多，包括電力、網(wǎng)絡(luò)、排水等；另一方面管線走勢復(fù)雜，各種管線存在交疊，甚至存在管線跨樓層的情況，運(yùn)維人員難以整體感知管線情況。通過管線的三維展示，同時借助于模型的虛化技術(shù)，能夠展示站內(nèi)所關(guān)心的管線信息。通過自管理、集成其他配置管理數(shù)據(jù)庫（Configuration Management Database，CMDB）等，將機(jī)柜內(nèi)設(shè)備的連接信息納入到BIM平臺，通過端口可以查找到相關(guān)的鏈路信息，通過鏈路也可以查找到相關(guān)設(shè)備端口信息，支持鏈路配置可視化。基于不同模型的屬性、不同的關(guān)聯(lián)關(guān)系，對所查看管線及其關(guān)聯(lián)設(shè)備高亮顯示，其余設(shè)備虛化，幫助運(yùn)維任務(wù)快速感知管線情況，提高運(yùn)維效率。

3.3.4 動環(huán)監(jiān)控

場景描述：動環(huán)信息采集專業(yè)性較強(qiáng)，往往由專業(yè)系統(tǒng)采集，但是要有效地降低能耗，動環(huán)信息必須是相結(jié)合的。通過信關(guān)站的BIM輕量化三維可視化管理，實(shí)現(xiàn)動環(huán)數(shù)據(jù)的空間分布，能夠直觀地反映動力與環(huán)境的相互作用。動環(huán)監(jiān)控可視化通過與各個子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)連接和交互，包括供配電柜、UPS、精密空調(diào)、漏水檢測、溫濕度、煙感、紅外探測、攝像頭、門禁等實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)集成化，同時結(jié)合各監(jiān)控點(diǎn)的空間位置信息，實(shí)現(xiàn)動環(huán)信息立體化呈現(xiàn)，為降低能耗提供有效精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支撐。

3.3.5 告警定位

場景描述：站內(nèi)設(shè)備告警信息的處理通常需要人工參與，傳統(tǒng)系統(tǒng)通過列表方式提供的告警信息使運(yùn)維人員難以及時定位問題發(fā)生位置；通過BIM輕量化三維運(yùn)維系統(tǒng)建設(shè)，能夠?qū)⒏婢捌鋵?shí)體信息反應(yīng)到真實(shí)的信關(guān)站空間場景中，提高運(yùn)維任務(wù)故障定位速度。運(yùn)維人員通過系統(tǒng)能夠直觀地看到告警發(fā)生位置、告警內(nèi)容；能夠及時地采取相應(yīng)措施到現(xiàn)場進(jìn)行維護(hù)。

3.3.6 可視化巡檢

場景描述：傳統(tǒng)人工巡檢的考核比較困難，針對巡檢時間、巡檢路線往往通過簽到的方式進(jìn)行上報，難以真實(shí)反映人員巡檢情況。通過BIM三維可視化運(yùn)維系統(tǒng)建設(shè)，能夠模擬人員歷史巡檢路線、查看巡檢時間，降低運(yùn)維人員管理難度；能夠借助攝像頭、傳感器等工具，獲取巡檢人員坐標(biāo)信息、巡視點(diǎn)視頻畫面。通過時間、坐標(biāo)點(diǎn)、BIM模型之間的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)維人員的巡檢路線回放，巡檢點(diǎn)的視頻查看。能夠有效提升巡檢人員的工作質(zhì)量，增強(qiáng)任務(wù)考核的便捷性。

4 結(jié) 論

信關(guān)站應(yīng)用規(guī)模的不斷擴(kuò)大，設(shè)備資產(chǎn)種類繁雜，設(shè)備數(shù)量龐大，通過BIM技術(shù)構(gòu)建輕量化三維模型庫，對設(shè)計(jì)模型、計(jì)算模型、運(yùn)維信息等進(jìn)行集成管理，有利于業(yè)主方對所有信關(guān)站模型及相關(guān)信息進(jìn)行數(shù)字化管理。

系統(tǒng)圍繞便捷化、可視化、自動化、智能化，通過構(gòu)建的基于BIM的可視化運(yùn)維系統(tǒng)，對主要場景進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建了優(yōu)質(zhì)的運(yùn)營維護(hù)支撐體系，解決了當(dāng)前信關(guān)站普遍存在的資源利用情況分析難、運(yùn)維成本快速增加、資源管理日益復(fù)雜、以及服務(wù)多樣性等問題，提高了信關(guān)站運(yùn)行管理效率，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維智能化，助力信關(guān)站向規(guī)模化、集中化、智能化方向發(fā)展，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

結(jié)合信關(guān)站空間、網(wǎng)絡(luò)、IT及安全管理的實(shí)踐，技術(shù)上需要不斷深入研究，重點(diǎn)包括BIM+地理信息系統(tǒng)融合、服務(wù)器集群并發(fā)處理能力、面向運(yùn)維管理提供的模擬仿真、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用等方面。