基于BIM的测控系统运维全生命周期管理平台的设计与实现

+杨敏英 郭青（西安卫星测控中心 喀什测控站） 朱峰（东方红卫星移动通信有限公司）

1.引言

测控系统运维人员更换频繁，对运维人员素质要求较高，运维甚至需要周期性无人化。如何让运维人员对众多设备及系统全生命周期信息进行快速掌握，以及运维管理工作流程化、规范化，传统的信息沟通和管理方式已远远不能满足要求。实践证明，信息错误传达或不完备是造成众多系统故障、系统亚健康事件的根本原因，而BIM技术通过三维的共同工作平台以及三维的信息传递方式[1]，并采取物联网技术对关键信息实时更新，可以为运行维护一体化提供良好的技术平台和问题解决思路，为保障测控系统稳定可靠运行提供可能。

2.测控系统运维管理现状及存在问题

测控系统运维管理主要集中在系统运行和维护的过程管理上。目前测控系统在装备运行与维护过程中的管理方面存在较大空白，并没有实现完整的运维功能整合。为了解决某些型号任务功能的需要，许多系统、设备、软件必须短期内开发完成，对系统间的互联互通缺乏周密的考虑，形成各自独立的系统，信息分散，产生了很多“信息孤岛”，不能充分发挥系统功能。

装备运行方面，测控系统每套系统有规范的流程方法，但人员的工作职责以及工作执行情况监管有所失控，人员对工作的完成情况和操作的正确性时常处于失控状态。装备软硬件变更历史未能直观的体现。装备维护方面，在用线缆的参数、性能状态、使用时间、历史“遭遇”未可知。库存的备品备件状态清楚，但采用维护记录登记的方式很难在应急时第一时间做到最快、最好的选择。对系统设备维护不规范、历次维护发现的问题、历次维护结果等信息不具备信息化、集中统一管理能力，历史数据缺失则无法实现长期设备状态趋势分析，影响预防性维修工作的有效开展。综上，加之不同装备可靠性程度差异大，如此将不利于较长一段时间“人员流动性高”的现状以及未来“无人、少人”引发的急迫问题。

3.BIM技术与物联网技术及应用架构

3.1 BIM技术及应用架构

基于模型的信息化管理BIM（Building Information Modeling）是以系统的各项相关信息数据作为基础，管理三维模型，通过数字信息仿真模拟系统所具有的真实信息。它具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性八大特点[5]。其中，信息完备性，包括完整的信息描述，如对象名称、结构类型等设计信息，还包括施工信息、维护信息等。可视化，即所见即所得，模型三维的立体实物图形可视，方便沟通、讨论与决策。协调性，针对项目信息出现的“不兼容”，使用有效BIM协调流程进行协调综合，减少不合理的变更方案。模拟性，可实现3D画面的模拟，4D发展时间上的模拟，5D造价控制上的模拟。优化性，是对项目方案的优化，利于开发人员选择更有利于自身需求的方案，以及对难度比较大和问题比较多的方案进行优化。BIM不再像CAD一样只是一款软件，而是一种管理手段，是实现系统管理精细化，信息化管理的重要工具。

BIM通过两点达到以上目的：第一，数据产生的第一时间收集数据；第二，后续环节可以方便使用前面环节已经收集的数据，避免错误，减少重复劳动。从国内外应用的成果看，BIM可以改善传统的工作流程，打破信息孤岛的壁垒，将大幅提升设计、施工、运维乃至质量管理、效率管理效能。该项目BIM部分基于成熟的Abimo软件，基于API-SDK开发和脚本，进行开发。项目全生命周期中的BIM技术如图1。

3.2 BIM建模过程

（1）制定建模规范

以按地物（楼层）拆分、按构件（设备）拆分、按区域拆分的原则对系统进行建模，分为建筑、结构、机电、装备系统四个专业的模型创建。即最终将会产生四个模型，精细程度到线缆、信号点。

（2）BIM建模过程

一个项目完整的BIM模型，构件的数量级在十万级以上是很正常的。在建模过程中一般都是团队协作，共同完成模型的创建。建模过程及步骤如下：

1.整理资料。根据图纸、设计初步布局，规划基本建筑图元、水单元、电单元、构架设备组建、对缆线进行编号，并制定建模规范。

2.BIM重构。对现有系统依据建模规范进行三维建模，并输入相关属性信息，装备系统标定系统连接拓扑关系及关键电气连接参数。

3.交互审核。依据建模规范及现有系统拓扑关系，由相关系统维护人员进行建模成果审核，审核完成后成果存入SBM DB数据库。

4.数据融合。将BIM数据与地理信息系统进行对接，使得显示三维地理坐标与BIM模型坐标保持一致，为今后的BIM模式应用打下基础。

3.3 物联网技术及应用架构

物联网的技术体系框架包括感知层技术、网络层技术、应用层技术及公共技术。感知层，主要用于采集物理事件和数据，包括各类物理量、标识、音视频数据。物联网的数据采集适用于局域网的涉及传感器、RFID等技术。网络层，实现更加广泛的互联功能，能够把感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送，需要传感器网络与通信技术相融合。应用层实现跨系统之间的信息协同、共享、互通的功能。公共技术不属于物联网技术的某个特定层面，而是与物联网技术架构的三层都有关系，包括标识与解析、安全技术、网络管理等。

物联网系统应用架构，如图2。

图2 物联网系统应用架构

图中传感器采用非入侵的低功耗、低成本、低复杂度传感器，涉及温度、湿度、电流、电源、振动、无线电频点场强、缆线拉力、门柜启闭、人员检测以及电信号等传感器。

4.基于BIM技术的测控系统运维全生命周期管理平台

4.1 总体框架

系统总体框架由 BIM基础数据、平台服务层、应用层、物联网API接口层，实现日常维护、资产管理、应急预案、培训模拟四大功能，如图3。其中日常运行维护包括设备关键步骤操作、巡检、寿命到期设备及接插件更换等。资产管理包括进出建筑物设备及备品备件自动统计、物联网自动盘点、冗余设备及电缆清理与报废。应急预案包括突发事件及突发故障，可视化预案维护及抢修。培训模拟包括新到岗工作人员培训与考核、故障处理模拟。

本研究拟对测控系统进行BIM从构，并采用非入侵的低功耗、低成本、低复杂度的传感器进行广谱物联网感知，感知数据到达后进入大数据系统，采用AI技术对大数据系统数据进行人工智能分析与脱敏，并分发到已有PHM系统或SCADA系统，脱敏后的数据分发到对应研究机构进行二次研究，为AI人工智能学习提供训练模板。需要建立两个基础系统即：BIM系统、IOT系统。BIM基础系统，现有测控系统进行重构，涉及地理属性、设备属性、缆线属性、气象环境属性，实现地理环境可视、物可视、动态信息可视、气象环境可视。IOT基础系统在原有专业传感器基础上，增加非入侵的低功耗、低成本、低复杂度传感器，例如温度、湿度、电流、电源、振动、无线电频点场强、缆线拉力、门柜启闭、人员检测以及电信号等传感器。

图3 总体框架

在以上两个基础系统的基础上，支持已有业务系统的运行。例如：PHM系统、SCADA系统，并新研制部分业务系统，如：可视化拓扑图系统、维护预案培训系统、维护远程指导专家系统、物资管理系统等。其中维护预案、培训系统可编制周、月、季度维护可视化预案及备品备件清单。可编制常见故障处理可视化预案及涉及备品备件清单。可以大幅度提高运维人员运维技术水平并可进行模拟运维对运维人员进行考核，提高一次性进入成功率，减少因为人员素质及物资携带的原因造成的二次进入维护。物资管理系统采用UHF RFID、LORA RFID进行支撑，在预案系统与专家系统的支撑下，自动生成进入物资清单、使用手持装置进行非接触快速盘点，为一线运维提供有力支撑[3]。可视化拓扑图系统，在BIM的基础上进行可视化系统拓扑图，并在拓扑图上标注对应传感器量及合格传感器量，做到物可视、状态可视。供远程监管人员使用及维护人员使用。物资管理部分系统架构[4]，如图4。

4.2 关键技术设计与实现

4.2.1 三维可视化建模

建模采用BIM软件进行建模，要根据测控系统的需求制作所要使用的电气族文件。电气设备、电气桥架、电管、导线、天线、标注等都是不同类型的族，电气族在二维平面图上既要满足国标的制图标准，在三维模型上又要符合事物的实际样貌，还需赋予尺寸、性能、负荷类型、电气参数等一系列属性参数[5]。

（1）建筑物建模与维护

对建筑物进行建模与真实世界保持一致。缆线建模与维护：对主要缆线实际位置，所处建筑物位置进行真实再现。缆线贴UHF RFID标签，缆线的编号、类型等信息和每根缆线三维模型挂接，实现对每根缆线定位查询。

（2）设备建模与维护

建模与真实设备一样的三维模型与三维系统挂接并放置在真实位置，可通过关键词查询某个设备，然后自动定位到设备，并由UHF RFID标签展示设备的相关信息。支持模糊查询和精度查询。

从而实现基于三维实时互动引擎技术的测控系统可视化，可以满足全仿真式测控系统运维需要，层次化递进浏览监控区域、机房、机柜、设备、端口、天线。如图5。

图4 物资管理系统构架

图5 机房三维可视化图

4.2.2 平台服务层数据接入

物联网服务器需要完成设备与服务器端之间安全可靠的双向连接，以支撑海量设备的数据收集、监控、故障预测等各种物联网场景信息、并将接收到数据存入空间数据库与时序数据库。

平台服务层空间数据库需要根据不同的后果评估模型及项目要求，确定最优的数据模型、处理模式、存贮结构、存取方法，建立能反映现实世界的地理实体间信息之间的联系，又能被一定的DBMS接受，同时能实现系统目标并有效地存取、管理数据的数据库。简言之就是把现实世界中一定范围内存在着的应用数据抽象成一个数据库的具体结构的过程，并将在线获得的物联网数据叠加入空间数据库，供后果评估服务器进行查询与分析。

平台服务层时序数据库（Time Series Database，简称TSDB）是用于管理时间序列数据的专业化数据库。区别于传统的关系型数据库，时序数据库针对时间序列数据的存储、查询和展现进行了专门的优化，从而获得极高的数据压缩能力、极优的查询性能，特别适用于处理海量的时间序列数据），空间数据库与时序数据库关联，并以时间为维度进行数据存储、并将在线获得的物联网数据叠加入时序数据库，供后果评估服务器进行查询与分析。

平台服务层后果评估服务器实现根据后果评估系统提交的后果评估计算模型，读取空间数据库、时序数据库，计算实时结果及时间轴预测结果，并将计算后的数据存储到空间&时序数据库对应表中、供系统调用。

4.2.3 物联网感知层实现

使用物联网技术手段对相关设备进行非侵入式物联网监测，如温度、电流、电压、射频参数、振动、俯仰角、倾斜角、方向角等。温度传感器采用粘贴式安装在指定设备，如电机、机箱、机柜内部、动力电缆等处，均采用本安电池供电，微功率无线通信。电流传感器采用穿芯式安装在指定设备供电电缆接入处，均采用本安电池供电，微功率无线通信[6]。

射频参数采用网络型频谱分析仪对重要工作频点进行开放式监测。振动传感器采用螺丝紧固在振动设备上，均采用本安电池供电，微功率无线通信。俯仰角、倾斜角、方向角采用高精度陀螺仪贴在天线设备参考位，进行监测。以上监测结果统一汇入平台服务层。

使用物联网技术手段对设备所在建筑物的人流、物流、设备流进行监测。如机柜、设备箱启闭情况、人员到位情况、设备及资产进出建筑情况。进入系统所在建筑物人员佩戴智能工牌，从而实现人流监测。进入系统所在建筑物的物资及设备均贴有UHF RFID，关键门均安装有门禁式阅读器实现物流、设备流进出监测。相关门、机柜门、设备维护门安装有物联网门磁传感器，实现门的启闭监测。非侵入式物联网监测，是指所安装的物联网传感器不与现有业务系统进行电气互联与物理互联，独立式工作从而保障系统安全。

4.2.4 日常运行维护实现

（1）运行操作：系统重构后，对设备操作中的关键步骤可设定流程、标准动作，传感器将感知到的动作信息传回系统，由系统进行操作正确性检查。

（2）设备巡检：工作人员佩戴智能工牌，实现在建筑物里人员厘米级定位，从而实现实时跟踪，报警提示，历史回放，线路巡检，事件处理等过程记录，并动态展现在三维系统中。

（3）设备检修：在BIM系统中，规划维修方案。并设定维修线路，匹配救援工具的种类及数量。通过故障的原因，进行故障定位，确定系统出现故障的位置，并显示出该位置的位置。

（4）故障监视报警：主要计算电流、电压等物联网数据及系统历史运行数据通过集成实时监控系统，分析设备数据，可以对有故障隐患相关设备进行闪烁报警。

（5）遥视系统：在三维场景中显示所有监控的位置分布，可以随时查询缺陷位置附近的摄像头分布情况，调取遥视系统图像。

4.2.5 资产管理实现

包括资产的新增、调拨、闲置、报废、维修和盘点等操作，它包含了设备从购置、投入使用到报废的全过程。设备投入使用前加装电子标签，标签内写入资产的信息，每次进行资产管理操作时，读写器都会读到资产上的电子标签并将信息发送到资产管理平台服务层进行处理，从而实现资产的跟踪管理[7]。

系统实现资产精确定位，在设备及线缆贴UHF RFID，可使用移动阅读器读取到标签，移动阅读器会显示该设备或线缆所在系统位置及该设备其他相关信息，并可以写入维护信息，同步到平台服务层数据库。门禁式阅读器，可以实现对资产标签进出的100%识读。对异常的资产进出进行告警，系统后台记录资产进出信息。门禁式阅读器如下图所示。覆盖区域为半径为3-5m的扇形区域。

如图6所示：

（1）在待入区域给器材贴标签（TAG）或挂铅封标签（TAG），使用手持终端将数据同步更新到数据库软件。

图6 资产管理

（2）在关键通道门上方安装TAG阅读器，对出入机房器材进行实时监控和出入机房操作，将出入库数据通过CAN总线传输到器材管理数据库。

（3）在电脑上安装器材管理软件（数据来源于器材管理数据库），实现对入机房、出机房、盘点、报废、报损等数据的处理和查询统计工作。

（4）在手持终端安装器材管理软件，实现机房器材的盘点、更换、报损、报废等工作。

4.2.6 可视化应急预案及培训模拟的实现

在对系统进行重构的基础上，将各类应急预案、维修操作以BIM形式呈现，可直观反映操作对象、内容、方法、流程等，等同于实物操作、演练。解决了设备任务密集无法实际操作，或操作有一定风险的措施操作难以实施的难题。

将培训内容可视化呈现在学员眼前，可直观、身临其境地看到、摸到培训内容，学员通过系统自学培训内容，等同于实物操作，然后通过实物操作检验学习效果即可，大大提高了培训效果。

5.结论

基于BIM技术与物联网技术的测控系统运维全生命周期管理平台，以维护大于维修、培训大于培养的理念进行构架，弥补了PHM及SCADA系统存的缺陷，更多的强调了操作、维护标准化、维修、应急、培训可视化。新的技术手段让到岗人员快速熟悉装备系统、可视化模拟系统维护过程，可视化重大活动预案，对统一的工作内容、流程，统一的思想、统一的价值观念，建立标准化管理的基础。BIM与IOT在我国测控类系统中尚未得到有效挖掘，美国NASA已经发展的非常快，并在多个系统得到应用，美国已经制定BIM标准，我国从“十五”科技攻关计划中已经开始了对BIM技术相关研究的支持。经过这么多年的发展，在设计和施工阶段已经被广泛应用，而在设施维护中的应用案例并不是很多。在运营维护阶段，BIM技术需求非常大，尤其是对于复杂系统的运营维护，其创造的综合效益不言而喻[7]。随着这几年物联网的高速发展，BIM与IOT技术在运维阶段的应用也迎来一个重要契机。