基于SpringBoot 的三维数字化设备运维管理系统的设计与实现

马文新 刘百韬 侯冠麒 姜天凌

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司)

目前污水处理厂等场站类市政设施存在设备种类多且布局分散、信息采集速度慢、管理效率低等问题，增加了市政企业运维的时间成本和人力成本，导致企业无法实现精准高效的运维管理。受益于工业互联网、大数据、3DGIS、人工智能等信息技术的发展，上述运维业务中存在的问题逐渐得以解决。

基于移动互联、三维可视化、web 开发等数字化技术，将场站内的单体、设备等生产要素映射到三维场景之中，并实时展示场站内的关键运行数据，以数据驱动运营决策，全面提升场站运维管理效率，最终实现为企业生产经营降本增效的目标。

三维数字化设备运维系统的建设需要贴合市政场站内的日常工作场景，因此我们从污水处理企业的运营管理架构及经营模式出发，通过先进的信息技术实现场站内的资源共享，并设计出一套更加实用、高效的业务流程，构建一套科学完善的运营管理机制。

其中，场站内设备的管理工作是该系统的核心模块，场站的日常运维工作是紧紧围绕着设备开展的。我们充分考虑到市政企业的设备管理规章制度及分类标准，对场站内的设备进行划分建档，与设备的档案资料、保养维修记录等信息进行挂接，共同构建设备运行维护和信息化管理的数据基础。通过该系统，企业管理人员可以及时查看场站内设备的动态和静态信息，对场站内全部设备的运行、巡检、保养、维修、更新直至报废进行全生命周期的高效数字化闭环管理。

1.相关技术

设备运维系统整体采用B/S 结构实现，采用浏览器作为客户端，用户只需要在浏览器中输入网址即可访问该服务，无需安装客户端软件，使用方便。服务器端提供服务，所有的业务逻辑都在服务器端运行，客户端只需要提供输入和接收输出即可，这样可以减轻客户端的负担，数据集中管理也在服务器端，可以保证数据的一致性和安全性，避免了数据的分散和冗余，降低了数据管理的成本。

服务端采用前后端分离架构，前端和后端可以独立开发、测试和部署，各自专注于自己的工作。前端可以专注于用户界面和用户交互，后端可以专注于业务逻辑和数据处理，这样可以提高开发效率和质量；前后端分离可以将页面渲染全部交给前端处理，减少了服务器端的压力，提高了系统的运行效率和稳定性；前后端分离可以非常灵活地进行扩展和升级，可以根据需求对前端和后端进行单独的扩展和升级，降低了系统升级和维护的成本和风险。

前端采用Vue.js 框架，后端采用Spring Boot 框架开发。Vue.js 是一种渐进式开发框架，可以根据项目需要逐步引入其功能，也可以与其他库或项目集成使用；Vue.js 提供一种由数据驱动的组件化架构，通过响应式的数据绑定和指令系统，让开发者能够更简单地实现单页面应用中数据交互的功能需求；Vue.js 的生态非常完备，提供了大量的插件和工具，例如Vuex 状态管理库、Vue Router 路由库、Vue CLI 脚手架工具等等，能够让开发者快速掌握从开发、调试到生产环境打包的全过程。

Spring Boot 是一个基于Spring 框架的轻量级Java Web开发框架，它的设计目的是简化Spring 应用的初始搭建和开发过程。它使用了约定优于配置的思想，省却了大量的XML 配置文件，提供了开箱即用，无需代码生成的特性。它还支持多种常用的技术和组件，如JPA，JDBC，MVC，Security 等[1]。Spring Boot 还可以自动化配置应用程序的各个部分，包括数据源、Web 框架以及基本的代码安全性等等。Spring Boot 框架内嵌web 服务器，可以独立运行，使得开发者可以更方便地测试、调试应用。开发者仅需要配置基本的JDK 环境，和Maven 构建工具，即可管理项目所依赖的第三方库，在本地完成所有后端功能的开发，很大程度上减少了在环境配置上消耗的时间，使开发者更专注于业务逻辑的实现。

Spring Boot 采 用MVC（Model-View-Controller）设 计模式。在Spring Boot 中，Controller 层作为MVC 的控制器，用于接收和处理请求，Model 层负责数据存储和业务逻辑处理，View 层则负责页面渲染和呈现。Spring Boot 中的Controller 层通常使用注解来处理请求，使用Java 类来定义数据模型和业务逻辑，使用模板引擎来呈现视图。这种MVC 设计模式可以有效地分离不同的应用程序组件，使应用程序更易于维护和扩展[2]。

2.系统设计

2.1 总体需求分析

为了使该平台的功能更加贴合生产实际，设计人员从市政类场站运维管理人员的日常工作出发，充分考虑了决策层、管理层、和执行层三类角色的业务需求，基于三维可视化及web 相关技术，将场站内的单体、各类生产设备关键生产要素映射到三维可视化场景中，使其与日常生产过程的管理工作紧密联系起来，实现对场站中资产设备的全生命周期动态监控及全过程数字化管理。

如图1 所示，该系统需要实现以下功能需求：

图1 总体业务需求

将多元数据与三维模型融合，能够动态地展示模型整体与组成单元，用户通过与模型的交互实现工艺流程、单体尺寸、空间位置等信息的查询功能。

围绕场站内的所有生产设备，建立数字化设备台账，用户可直观地对设备进行定位检索、信息查看、编辑等操作。

将设备台账与设备的日常巡检、维修、保养、变更、预警等工作建立联系，完成设备资产在生产过程中的全流程闭环管理。

2.2 总体架构设计

系统架构、采用技术均具有较好的开放性、先进性、前瞻性和扩展性。前端与后端完全解耦，通过HTTP 协议进行数据交互，展示层在Vue.js 框架的基础上，整合UI 框架Ant Design Vue 开发，在框架中的基础组件上封装新组件，既可以确保展示层基本视觉风格的一致性，又可以根据系统设计需求灵活调整，快速开发出具有独创性UI 设计的展示层服务[3]；业务层集成了MyBatis 作为操纵数据的ORM 模型，提升了后端开发效率，数据层采用了MySQL 存储整个系统的业务数据，提供易用、可靠的高性能持久化存储，还引入了Redis 作为缓存，提升了数据的加载速度，降低对系统部署环境的计算资源消耗，系统架构图如图2 所示。

图2 总体架构设计

2.3 数据库设计

本系统在数据库的设计上，遵循基本原则，即一致性原则、完整性原则、安全性原则、可伸缩性与可扩展性原则、规范性原则。具体到数据表的设计上，也遵守几个开发基本规则：例如表名应该简单明了，准确描述表的内容；表的字段具有唯一性，确保数据准确和完整；表的字段与后端Java类的命名一致，确保开发的易用性和可操作性；表的字段应该遵循命名规范，确保数据的易懂性和可读性；表的设计应该考虑系统的性能和可用性，确保数据的快速访问和高效存储等[4]。

基于上述原则，根据本系统的实际业务需求，共设计了包括人员权限、设备属性、资料属性、巡检记录、维修保养、告警提示等模块的81 张表。

3.系统实现

设备的巡检是场站运维工作的典型场景之一，比较有代表性意义，因此本章以该系统的设备巡检模块为例，简述系统的后端开发实现过程。

3.1 设备巡检模块业务流程

设备巡检模块的主要功能是由场站的运维管理者派发巡检工单，生产任务的执行者在接单后按照指定路线在指定时间内对场站内相关设备进行巡检，查看当前设备的运行状况及周围环境的变化，及时发现现场设备的缺陷故障及安全隐患，并采取有效措施，从而保障场站的安全有效运行。

如图3 所示，具体业务流程如下：

图3 设备巡检业务流程

a.第一环节是工单派发，设计人员通过对运维工作的分析，将巡检工单分为两类：计划工单和临时工单，前者由管理者根据日常巡检需求设定巡检计划，系统将根据计划中设定的时间自动派发工单，后者是考虑到有临时巡检任务的需求时，管理者可以根据实际业务的需要手动派发工单。

b.执行者在系统上接收派发给自己的工单，然后去现场执行巡检任务。

c.如果巡检过程中发现异常情况，需要在系统上进行异常上报，交给相关维修人员进行处理，如果未发现异常，在巡检结果处选择正常，到此一个完整的巡检流程结束。

3.2 开发实现

本节主要以设备巡检模块为例，简要介绍系统的后端开发工作。

（1）数据库设计

通过对设备巡检模块的业务逻辑进行了细致的拆解分析之后，为该模块设计了5 张配置表和3 张业务表：5 张配置表分别是巡检时间表、巡检点位表、巡检类型表、巡检班组表、巡检路线表，用于存储巡检模块的基础配置数据；针对巡检模块的业务流程，为该模块设计了巡检计划、巡检工单、巡检任务3 张业务表，用于存储巡检相关的业务数据。

（2）业务逻辑开发

设备巡检模块需要实现的业务主要包括：

a.巡检计划的新增、编辑、删除及启停操作。

b.系统需要根据用户制定的巡检计划完成自动派单，这种工单为计划工单，当有临时巡检需求时，用户可以填写临时工单。

c.巡检工单、巡检任务在不同权限等级用户间的流转等。

下面介绍巡检模块后端需要完成的工作：

首先是系统自动派单及超时关闭工单功能的开发工作，这部分功能是基于SpringBoot 框架自带的定时任务功能实现的：

首先引入@EnableScheduling 定时任务注解，根据业务功能开发定时任务类，为该任务类添加@Scheduled 注解，配置cron 表达式，设定定时任务的执行时间。我们开发的任务类需要完成如下工作：

a.计划状态变更：该任务在每天的凌晨执行，根据巡检计划的启停状态和起止时间，完成巡检计划的状态变更工作。

b.自动派单功能：该任务在每天的每个整点执行，根据用户设置的提前派单日期、派单时间以及计划的开始状态筛选出符合条件的巡检计划，并为这些计划自动生成巡检工单（计划工单）。

c.工单超时关闭：该任务在每天凌晨的特定时间执行，筛选前一天的工单，根据该工单对应的巡检任务完成情况，修改巡检工单的完成状态。

除了上述需要系统自动执行的业务逻辑之外，该模块需要完成如表1 所示的后端接口的开发工作，在开发这些接口时需要考虑到与其他操作的关联影响，例如巡检计划生效后，已经开始按计划派发工单时，巡检计划是否可以删除；修改巡检班组成员时，是否会对历史巡检计划、巡检工单等数据产生影响等等。这些问题都需要经过妥善的思考与处理，使系统避免在使用过程中出现致命问题。

表1 设备巡检模块后端接口汇总表

以上功能全部开发完成后，该模块顺利地通过了测试环节，用户制定巡检计划之后，系统能够完成按计划定时派单及关闭超时工单的功能，系统生成的工单能够在相关用户之间正常流转。从实际使用效果来看，将巡检业务整合到线上的数字化运维方式，有效地提升了相关运维人员的工作效率，帮助员工减少了大量重复性的工作，缩短了沟通时间，使其可以更加专注运维工作本身，更加高质量地完成本职工作。

4.应用效果

对设备资产的高效管理是市政场站稳定运行的重要基础，将场站内的各种资源进行优化整合，构建以设备台账为基础，以企业生产运营为主线的数字化设备管理应用，可以从以下几个方面助力运维人员的工作：

a.对场站内的生产设备进行全生命周期管理，规范备品备件管理，可以有效提高设备的周转率。

b.根据企业日常生产活动的需要，通过线上的方式完成工单派发、工单流转等工作，可以使相关工作人员避免过多的重复性工作，缩短沟通时间，有效提高工作效率。

c.对系统产生的各种运维资料进行科学规范的归档，便于日后查阅及生产指导。

综上所述，三维数字化设备运维系统可以帮助运维人员有效地提高生产运维效率，确保场站的稳定运行，进而大幅提升企业运维管理水平，助力实现设备管理规范化、资源利用最大化、运维管理自动化、企业运营最优化的目标，同时为今后其他专业数字化运维系统的建设提供了宝贵的经验。