黃慧穎, 蔣海剛, 武智霞, 范仲敏

(1. 上海計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)開發(fā)中心， 上海 201112; 2. 上海市安裝工程集團(tuán)有限公司， 上海 200080;3. 上海嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心， 上海 201112; 4. 上海產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院， 上海 201206)

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展，建筑體系及設(shè)施設(shè)備日趨大型化、連續(xù)化和復(fù)雜化。當(dāng)前，建筑產(chǎn)業(yè)正從外延粗放式發(fā)展轉(zhuǎn)向內(nèi)涵精細(xì)化管理發(fā)展，采用現(xiàn)代設(shè)施管理知識(shí)體系，對(duì)設(shè)施管理進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)[1-2]。同時(shí)，國(guó)內(nèi)眾多建筑設(shè)施設(shè)備在規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)階段通過(guò)各種設(shè)備采集狀態(tài)信息。物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)和工具已經(jīng)廣泛運(yùn)用于建筑設(shè)施設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、預(yù)警，及設(shè)施設(shè)備的檢查和維護(hù)。

在國(guó)內(nèi)，盡管樓宇自控系統(tǒng)BA/BMS已在大型、分散的機(jī)房遠(yuǎn)程集中監(jiān)控中得以廣泛的應(yīng)用，然而，由于實(shí)際應(yīng)用中設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)多、面廣、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求高，以有線數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控為中心的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施難度大、造價(jià)高、速度慢、覆蓋有限；所以，更常見的是建筑設(shè)施設(shè)備管理大部分軟件多采用手工錄入數(shù)據(jù)方式，運(yùn)維數(shù)據(jù)碎片化，大量歷史數(shù)據(jù)未得到開發(fā)利用，難以支撐管理決策，導(dǎo)致設(shè)施設(shè)備運(yùn)營(yíng)和維護(hù)科學(xué)性不高，不能適應(yīng)現(xiàn)代建筑現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和運(yùn)行維護(hù)信息化需求[3]。

針對(duì)上述不足，文獻(xiàn)[4]提出設(shè)施全管理要素，提出了設(shè)施全生命周期信息管理FLM的架構(gòu)模型。文獻(xiàn)[5]對(duì)BIM技術(shù)和運(yùn)維管理的基本理念進(jìn)行闡述，提出將BIM技術(shù)應(yīng)用與項(xiàng)目運(yùn)維階段的理念。文獻(xiàn)[6]對(duì)BIM技術(shù)在大型商業(yè)建筑設(shè)施管理中的應(yīng)用開展研究，提出了一種適用于大型商業(yè)建筑的高效設(shè)施管理新模式。文獻(xiàn)[7]對(duì)國(guó)內(nèi)外BIM技術(shù)在設(shè)施管理的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，提出了BIM技術(shù)在設(shè)施管理中具體可操作內(nèi)容。文獻(xiàn)[8]研究了信息化手段設(shè)施管理模式，分析了此模式下設(shè)施管理的整體解決方案。文獻(xiàn)[9]闡述了數(shù)據(jù)全量同步模塊、數(shù)據(jù)增量同步模塊、報(bào)表業(yè)務(wù)模塊等的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[10]研究了基于SaaS模式的軟件實(shí)現(xiàn)技術(shù)，提出基于SaaS的新一代報(bào)表工具系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

本文以提升設(shè)施設(shè)備智能化運(yùn)維管理能力為目標(biāo)，提出了設(shè)施設(shè)備智能化運(yùn)維平臺(tái)體系架構(gòu)?；贐IM、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，建立設(shè)施設(shè)備智能化運(yùn)維平臺(tái)，以設(shè)施設(shè)備智能化為核心，智能感知、數(shù)據(jù)融合和智能決策為主線，深度挖掘運(yùn)檢專業(yè)數(shù)據(jù)，整合設(shè)施設(shè)備相關(guān)信息，為設(shè)施設(shè)備智能化、運(yùn)維檢修智能化和管理智能化提供決策支持。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

設(shè)施設(shè)備智能化運(yùn)維平臺(tái)基于管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)機(jī)電設(shè)備管理系統(tǒng)進(jìn)行多系統(tǒng)融合，形成一套智能化設(shè)備運(yùn)行信息的交匯與處理的管理系統(tǒng)，對(duì)匯集的各類信息進(jìn)行分析、處理和判斷，采用最優(yōu)控制手段，對(duì)各設(shè)備進(jìn)行分布式監(jiān)控和管理，使各系統(tǒng)和設(shè)備始終處于有條不紊、協(xié)調(diào)一致的高效、經(jīng)濟(jì)的狀態(tài)下運(yùn)行。設(shè)施設(shè)備智能化運(yùn)維平臺(tái)總體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 平臺(tái)總體架構(gòu)

圖1中，設(shè)施設(shè)備智能化運(yùn)維平臺(tái)基于云計(jì)算平臺(tái)，整合集成建筑各系統(tǒng)數(shù)據(jù)，包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，采用開放式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間聯(lián)動(dòng)。各系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過(guò)消息推送、數(shù)據(jù)總線、數(shù)據(jù)抽取等方式接入云平臺(tái)，用戶可通過(guò)PC端或手機(jī)端進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)施設(shè)備智能化運(yùn)維。

平臺(tái)通過(guò)集成和聯(lián)通不同通訊協(xié)議的智能化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的信息共享和協(xié)同工作。對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行全局化的集中統(tǒng)一式監(jiān)視和管理，將各集成子系統(tǒng)的信息統(tǒng)一存儲(chǔ)、顯示在智能化集成統(tǒng)一平臺(tái)上，并進(jìn)行管理。各子系統(tǒng)實(shí)施分散式控制，平臺(tái)協(xié)調(diào)各控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)獲取不同控制系統(tǒng)的各種運(yùn)行數(shù)據(jù)。以各集成子系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的相關(guān)聯(lián)動(dòng)。在各集成子系統(tǒng)的良好運(yùn)行基礎(chǔ)之上，快速準(zhǔn)確的滿足用戶需求以提高服務(wù)質(zhì)量，增加設(shè)備控制、無(wú)人值守臺(tái)、自動(dòng)遠(yuǎn)程報(bào)警等功能。

2 平臺(tái)體系架構(gòu)

設(shè)施設(shè)備智能化運(yùn)維平臺(tái)融合建筑物結(jié)構(gòu)信息，設(shè)備系統(tǒng)安裝信息，設(shè)施運(yùn)行實(shí)時(shí)信息，設(shè)施使用方實(shí)時(shí)信息和管理服務(wù)信息等數(shù)字化信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)格式、訪問(wèn)方式、系統(tǒng)可用性等都存在巨大差異的海量數(shù)據(jù)的高效優(yōu)化處理。基于設(shè)施設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)模型和規(guī)范，以及各類數(shù)據(jù)的采集分析技術(shù)，構(gòu)建建筑設(shè)施設(shè)備數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，從下至上分為四層。

(1) 存儲(chǔ)層。統(tǒng)籌實(shí)現(xiàn)各類結(jié)構(gòu)各種數(shù)據(jù)格式的歷史數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)及知識(shí)庫(kù)的綜合存儲(chǔ)。

(2) 數(shù)據(jù)層。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式云存取、數(shù)據(jù)提取后的分布式計(jì)算和行業(yè)知識(shí)的中間翻譯和存取等功能服務(wù)。

(3) 服務(wù)層。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)驗(yàn)證、數(shù)據(jù)分析等功能服務(wù)。

(4) 應(yīng)用層。提供設(shè)施狀態(tài)管理、巡檢及工單管理、資產(chǎn)管理、人員管理以及決策支持等功能。

平臺(tái)架構(gòu)如圖2所示。

建立的建筑設(shè)施設(shè)備知識(shí)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)云計(jì)算的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)海量結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)、訪問(wèn)、共享交換、處理，為服務(wù)層及應(yīng)用層應(yīng)用提供高性能的分布式數(shù)據(jù)管理能力。對(duì)海量設(shè)施運(yùn)維數(shù)據(jù)的優(yōu)化存儲(chǔ)包含以下幾個(gè)功能。

圖2 平臺(tái)體系架構(gòu)

(1) 云數(shù)據(jù)管理中間件。整合關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、SQL數(shù)據(jù)庫(kù)、文件系統(tǒng)等異構(gòu)存儲(chǔ)模式，實(shí)現(xiàn)按需按數(shù)據(jù)特性存儲(chǔ)，并通過(guò)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)總線實(shí)現(xiàn)跨存儲(chǔ)設(shè)施的統(tǒng)一訪問(wèn)。此外，借助并行數(shù)據(jù)處理技術(shù)對(duì)吞吐量，并發(fā)量以及可用性進(jìn)行增強(qiáng)。同時(shí)，面向不同性質(zhì)的存儲(chǔ)系統(tǒng)的差異，為數(shù)據(jù)的統(tǒng)一訪問(wèn)封裝了一個(gè)數(shù)據(jù)訪問(wèn)統(tǒng)一接口，它將不同數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的差異進(jìn)行封裝，提供了一個(gè)統(tǒng)一的訪問(wèn)形式，降低了異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的管理和訪問(wèn)難度。

(2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)。平臺(tái)融合多個(gè)節(jié)點(diǎn)信息、提供面向海量數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)，具有提供統(tǒng)一海量?jī)?nèi)容管理能力。建立以項(xiàng)目為單位的空間及設(shè)備的信息存儲(chǔ)服務(wù)器，區(qū)域運(yùn)行數(shù)據(jù)服務(wù)器，建筑BMS數(shù)據(jù)服務(wù)器等，協(xié)同中央管理專用數(shù)據(jù)服務(wù)器完成大型復(fù)雜建筑設(shè)施系統(tǒng)的綜合海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)。

(3) 分布式計(jì)算。采用云計(jì)算的架構(gòu)，將各建筑的巡檢數(shù)據(jù)過(guò)濾，篩選驗(yàn)證，并在主服務(wù)器匯總合并計(jì)算總體結(jié)果，保證數(shù)據(jù)的完整性、計(jì)算時(shí)效的穩(wěn)定性、計(jì)算能力的易擴(kuò)展性。

3 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

基于統(tǒng)一業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)管理中心模塊和數(shù)據(jù)分析中心模塊的數(shù)據(jù)分析技術(shù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理中心為運(yùn)維平臺(tái)提供靜態(tài)模型、分析模型支撐,數(shù)據(jù)分析中心為運(yùn)維平臺(tái)提供數(shù)據(jù)實(shí)體、數(shù)據(jù)分析支撐。

(1) 平臺(tái)基本功能

提供工單管理、巡檢管理、人員管理、資產(chǎn)管理、決策支持、知識(shí)管理、業(yè)務(wù)管理等基本功能，滿足現(xiàn)有建筑設(shè)施設(shè)備一般管理業(yè)務(wù)的需求。

(2) 平臺(tái)高級(jí)功能

基于設(shè)施運(yùn)維歷史服務(wù)、設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)服務(wù)、公共信息服務(wù)以及建筑設(shè)施設(shè)備知識(shí)服務(wù)等四種基本服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)指定區(qū)域、指定時(shí)間上設(shè)施設(shè)備的即時(shí)狀態(tài)、歷史演化、環(huán)境關(guān)聯(lián)及管理的知識(shí)支持，直接為建筑設(shè)施設(shè)備人員提供決策支持，滿足現(xiàn)有建筑設(shè)施設(shè)備模式的需求。具體有以下三種服務(wù)。

建筑設(shè)施設(shè)備決策支持服務(wù)。對(duì)建筑設(shè)施設(shè)備的現(xiàn)狀依據(jù)歷史運(yùn)行信息進(jìn)行分析，提供設(shè)施設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀評(píng)價(jià)服務(wù)、設(shè)施異常狀態(tài)及處置的模擬仿真服務(wù)、設(shè)施運(yùn)維管理決策評(píng)價(jià)服務(wù)、設(shè)施運(yùn)維管理決策支持服務(wù)和設(shè)施運(yùn)行安全評(píng)價(jià)服務(wù)等多個(gè)擴(kuò)展服務(wù)。

運(yùn)行現(xiàn)狀評(píng)價(jià)及預(yù)警服務(wù)。針對(duì)選定目標(biāo)區(qū)域，綜合各途徑獲取的建筑物狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、用戶狀態(tài)和公共服務(wù)狀態(tài)，以及相關(guān)歷史狀態(tài)信息，提供一套分析評(píng)價(jià)方法對(duì)區(qū)域設(shè)施狀態(tài)提供可用性、運(yùn)作效率、安全風(fēng)險(xiǎn)等維度的綜合評(píng)價(jià)，并對(duì)可能引發(fā)的異常狀態(tài)提供預(yù)警。

異常狀態(tài)及處置的模擬服務(wù)。針對(duì)某個(gè)選定系統(tǒng)的異常狀態(tài)，基于異常狀態(tài)相關(guān)的設(shè)備及空間關(guān)聯(lián)關(guān)系，獲取關(guān)聯(lián)空間及設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、公共服務(wù)狀態(tài)數(shù)據(jù)、運(yùn)維管理選項(xiàng)，通過(guò)模擬方式計(jì)算并展示該異常狀態(tài)的未來(lái)演化趨勢(shì)，并在多個(gè)維度綜合展示管理選項(xiàng)對(duì)最終后果的影響。

4 關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

4.1 圖像識(shí)別技術(shù)

針對(duì)傳統(tǒng)指針式儀表數(shù)據(jù)采集，通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集。由定位裝置確定儀表位置，啟動(dòng)攝像指令，攝像系統(tǒng)完成掃描儀表盤并輸出，圖像采集模塊接收到模擬圖像信號(hào)，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)并存放在處理器中，處理器對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析、識(shí)別，獲得測(cè)量結(jié)果，測(cè)量結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_(tái)系統(tǒng)。圖像識(shí)別系統(tǒng)讀取儀表數(shù)據(jù)系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3中的儀表識(shí)別模塊(主要針對(duì)指針式儀表)，根據(jù)我們的現(xiàn)實(shí)并結(jié)合文獻(xiàn)[11，12]，可以通過(guò)Hough變換后指針中心線的位置來(lái)判斷直線落在坐標(biāo)系的哪個(gè)象限中，進(jìn)而計(jì)算出指針式儀表表盤的讀數(shù)。即通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)計(jì)算出指針中心線與X軸夾角并檢測(cè)出表盤轉(zhuǎn)動(dòng)軸心的指針位置。

圖3 圖像識(shí)別系統(tǒng)讀取儀表數(shù)據(jù)系統(tǒng)原理

注意為使提高計(jì)算準(zhǔn)確性，應(yīng)首先提高指針角度提取的準(zhǔn)確性。

4.2 建筑設(shè)施運(yùn)維報(bào)表平臺(tái)構(gòu)建

為進(jìn)一步提升設(shè)施運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化程度，建筑設(shè)施運(yùn)維報(bào)表平臺(tái)對(duì)建筑設(shè)施運(yùn)維原始數(shù)據(jù)維度、層級(jí)、粒度進(jìn)行有效梳理，將源數(shù)據(jù)系統(tǒng)的“碎片化”的數(shù)據(jù)報(bào)表展現(xiàn)方式轉(zhuǎn)換為更符合經(jīng)營(yíng)決策分析所需的多維數(shù)據(jù)報(bào)表，有效提升設(shè)施運(yùn)維決策管理的效率。系統(tǒng)按數(shù)據(jù)主題分為巡檢、工單、設(shè)備運(yùn)行、點(diǎn)位、人員績(jī)效等6個(gè)分析主題，從多個(gè)維度完成數(shù)據(jù)展示，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)按維度層級(jí)的穿透功能，彌補(bǔ)了源系統(tǒng)在數(shù)據(jù)維度展示上缺乏“數(shù)據(jù)穿透”功能的不足。

通過(guò)該報(bào)表系統(tǒng)也強(qiáng)化設(shè)施運(yùn)維質(zhì)量的事后監(jiān)控，通過(guò)將二維數(shù)據(jù)圖表化展示，使使用者從紛繁復(fù)雜的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)中解放出來(lái)，通過(guò)各類圖表展示有效幫助其解讀數(shù)據(jù)內(nèi)在規(guī)律，獲取正確的運(yùn)維質(zhì)量指標(biāo)信息，加速經(jīng)營(yíng)管理決策過(guò)程，實(shí)現(xiàn)設(shè)施運(yùn)維精益化管理。

圖4 報(bào)表平臺(tái)數(shù)據(jù)大屏應(yīng)用場(chǎng)景

圖4給出某設(shè)施運(yùn)維管理報(bào)表平臺(tái)應(yīng)用場(chǎng)景。以平臺(tái)數(shù)據(jù)大屏應(yīng)用場(chǎng)景為例，大屏顯示通過(guò)內(nèi)存數(shù)據(jù)集方式實(shí)現(xiàn)了2個(gè)源系統(tǒng)數(shù)據(jù)源、22個(gè)管理項(xiàng)目的數(shù)據(jù)集中展示，通過(guò)儀表盤和數(shù)據(jù)地圖技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)施運(yùn)維數(shù)據(jù)可視化展示。

4.3 多維數(shù)據(jù)分析技術(shù)

基于多維數(shù)據(jù)分析技術(shù)，將源系統(tǒng)中二維的平面數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)建模方式按時(shí)間組織架構(gòu)維度，將巡檢、工單、人員績(jī)效指標(biāo)形成多個(gè)分析維度方向，通過(guò)數(shù)據(jù)萃取、數(shù)據(jù)切片技術(shù)完成數(shù)據(jù)的從匯總向明細(xì)數(shù)據(jù)按數(shù)據(jù)層級(jí)架構(gòu)導(dǎo)航的過(guò)程，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)報(bào)表一旦固化后調(diào)整難度較大的難點(diǎn)。同時(shí)通過(guò)多維數(shù)據(jù)集構(gòu)建可以有效規(guī)范源數(shù)據(jù)規(guī)范，為數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)深度應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

4.4 應(yīng)用情況

某工程項(xiàng)目基于22個(gè)管理項(xiàng)目已經(jīng)構(gòu)建設(shè)施運(yùn)維報(bào)表平臺(tái)，并完成數(shù)據(jù)維度和管理KPI指標(biāo)的初步構(gòu)建。目前該報(bào)表平臺(tái)巡檢任務(wù)情況分析報(bào)表已經(jīng)在9個(gè)項(xiàng)目中進(jìn)行試點(diǎn)，有效提升的巡檢質(zhì)量的監(jiān)控水平。通過(guò)巡檢執(zhí)行情況分析該課題項(xiàng)目完成巡檢任務(wù)、巡檢點(diǎn)位、巡檢明細(xì)的三級(jí)聯(lián)動(dòng)監(jiān)控，自頂向下完成數(shù)據(jù)層面的巡檢質(zhì)量監(jiān)控。在應(yīng)用后，試點(diǎn)項(xiàng)目的巡檢完成率有原先75% 提升到98%。圖5給出該平臺(tái)的巡檢執(zhí)行情況分析。

圖5 巡檢情況執(zhí)行分析

5 總結(jié)

以某項(xiàng)目研究為背景，研究并分析智能化設(shè)施設(shè)備運(yùn)維平臺(tái)體系架構(gòu)要點(diǎn)和設(shè)施運(yùn)維數(shù)據(jù)分析架構(gòu)設(shè)計(jì)思想，最后通過(guò)該項(xiàng)目設(shè)施報(bào)表平臺(tái)構(gòu)建過(guò)程為案例，闡述設(shè)施運(yùn)維數(shù)據(jù)對(duì)建筑設(shè)施全生命周期精益化管理的意義。