基于BIM模型的演出场馆机电设备管理平台

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  [摘    要]以梅赛德斯-奔驰文化中心弱电智能化升级项目为例,针对首次接触到的基于BIM+GIS的设备运维管理平台系统,总结技术经验。阐述了对于设备运维管理平台系统集成技术设计方面的一点认识,对包含多系统知识的设备运维管理平台模型设计、数据获取、具体应用效果等做了详细说明。
  [关键词]BIM+GIS设备运维管理平台;轻量化模型;智能算法;第三方数据对接;TCP/IP
  [中图分类号]TU723.3;TM7 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487(2021)05–00–04
  Mechanical and Electrical Equipment Management Platform
  of Performance Venue Based on BIM Model
  Zheng Hui
  [Abstract]This paper summarizes some technical experience of the equipment operation and maintenance management platform system based on BIM + GIS, which I first came into contact with in the process of the weak current intelligent upgrading project of Mercedes Benz cultural center. This paper expounds the understanding of the system integration technology design of the equipment operation and maintenance management platform, and makes a detailed description of the model design, data acquisition and specific application effect of the equipment operation and maintenance management platform including multi system knowledge.
  [Keywords]BIM + GIS equipment operation and maintenance management platform; Lightweight model; Intelligent algorithm; Third party data docking; TCP/IP
  1 综合运维管理平台概述
  1.1 项目概述
  梅赛德斯—奔驰文化中心原为世博演艺中心,世博会结束后与中国馆、世博轴等一轴四馆成为上海世博会永久性展馆,一直保留沿用。
  1.2 建设目标
  梅赛德斯奔驰文化中心智能化建设是一个庞大、复杂、有机的整体,应将其建立于具有统一的技术标准的网络架构、统一的平台之上,并建立统一的接口,将各应用系统之间密切衔接,高度共享。系统总体架构贯穿各个层次的互联互通接口和配套的信息数据标准协议,由场馆各机电设备运行管理模块组成。以统一门户为基础,把各个智慧分系统集成于一体。改进现有的信息管理、交流与传播渠道,提高场馆各领域信息交流的速度与效率。
  借助3D虚拟仿真技术及室内外一体化GIS地图融合技术,实现场馆综合展示、BA管理系统、安防平台系统(监控、门禁、停车场)、能耗管理系统(供水、供电)、位置服务可视化呈现,形成智慧场馆监控、预警、诊断、分析及应用服务可视化管理的一体化平台,打造不同维度的管理视角,并最终实现统一运维,有效提高场馆机电设备的运维效率及运维水平。
  1.3 建设意义
  1.3.1 场景化的功能管理
  传统运维管理过程中,不同部门需要面对不同建筑管理子系统,且根据运维管理需求不同需要对各个子系统进行不同操作,对管理人员的技术水平和工作效率提出较大考验。基于BIM+GIS的梅赛德斯—奔驰文化中心智能化管理平台能够根据不同部门的运维管理需求,将所有子系统信息集中到同一界面,便于信息的检索和工作的派发,实现面向运维管理工作的場景化功能设计。
  1.3.2 基础信息全面共享
  管理平台具有建筑数据库,实现了建筑信息的电子档案管理,不同管理部门在运维管理过程中能够快速查找到所需的运维管理信息,实现数据的跨部门实时共享。避免了传统运维中档案管理的复杂和以往跨部门资料借阅中出现的资料不及时归还或遗失等问题。
  1.4 运维管理平台设计架构
  运维管理平台总体架构如图1所示。
  2 BIM模型的建立和处理
  2.1 模型范围
  基于BIM+GIS的管理平台整体场景展示覆盖整个梅赛德斯—奔驰文化中心场馆,可显示整个公建区,包括所有地面建筑、地下建筑、道路等。对梅赛德斯—奔驰文化中心项目模型进行标准化、轻量化和渲染美化进行处理并预留运维管理接口,保证相应的BIM+GIS模型导入到平台时系统仍可正常流畅运行。
  2.2 模型要求
  (1)建模依据为竣工图中天花定位图,其中点位需与图纸中位置吻合。
  (2)由于弱电模型大量重复必须建族,模型命名与弱电系统中的名称对应。
  (3)弱电模型需要与现场设备进行校核,查看位置是否准确合理。
  (4)弱电点位模型交付需要分层分专业。
  (5)模型体量较大,分层分区建模时,各MEP专业的立管上下层必须对正;若按系统进行建模,要求机电模型和建筑、结构、精装模型关系正确,不能出现和事实不符的碰撞、穿插等问题,同时要求通过工作集或者设置过滤器来进行模型拆分,方便查看各专业模型。   2.3 模型精度定义
  设备的技术属性对应LOF300级别见表1。
  3 BIM运维平台智能算法应用示例
  3.1 能耗预测算法
  3.1.1 特征要求
  历史能耗信息需要数据质量尽可能的高(总支能够达到平衡的状态),不同的数据质量计算出来的精确度也不相同,以下为不同数据质量能够达到的精确度指标(持续更新):
  以场馆历史能耗数据(每天96维能耗数据)、当天实际能耗数据为训练输入,运用kmeans聚类算法计算历史一致性评分和计划一致性评分。核心诊断运行的4个维度:①开关异常;②波动异常诊断;③能耗异常;④历史一致性。
  采用kmeans聚类算法把场馆历史能耗数据(每天96维能耗数据)进行工作日和非工作日划分,然后分别以手肘法所得k值进行聚成k个簇,每个簇包含簇中心和簇内能耗范围(能耗最大值和最小值经过95%置信区间筛选);输出簇中心、簇范围。历史一致性评分和计划一致性评分逻辑如图2所示。
  3.2 空调模块化控制算法
  空调系统控制调节的目的是为了满足建筑随时变化的制冷、供热需求。建筑冷、热量需求变化的时间常数通常是几十分钟,甚至小时,因而空调供冷、供热调节应该采用较长的控制步长。然而空调设备的调节动作较快,常常在几分钟,甚至1min以内就可以达到调节目标。如图3、表2所示。
  4 BIM运维管理平台集成子系统数据方式
  BIM运维管理平台和现有的系统不产生冲突,而是在现有系统的基础上提供更高层次的数据交互和场景应用,而且BIM运维管理平台本身的功能也需要从底层的系统或传感器获取数据。
  数据的获取分为两种形式,一种是从底层传感器中直接读取,另一种是从现有的系统中获取。部分较为简单的功能,如视频监控等,从传感器中直接读取,这种方式较为简单,数据交互也更为快捷;但有一些较为复杂的功能,特别是需要现场执行单元的数据,则从第三方系统中获取,如消防应急系统、变配电系
  统等。
  场馆目前一些大型的机电系统,都设有标准的第三方接口。如空调自控系统,采用基于支持TCP/IP或OPC协议方式的数据服务调用,提高数据调用的方便性。少数系统无数据的上传交互接口,因此需要编写相应的程序,对其数据库内的数据进行调用和编译。
  4.1 系统数据的获取方式
  4.1.1 直接从传感器获取(以下称第一类传输)。
  系统传感器本身有通信模块,可以对数据进行远传,如风水电系统的前端机房设备。部分传感器有国际(或行业)通用的标准传输协议,通过485线或无线传输的方式,经过现场的数据采集模块直接上传到远端的服务器,由BIM运维管理平台的数据采集程度对数据包进行解码并写入相应的数据库。系统中的一些较为特殊的传感器或没有标准协议的传感器,通过设备厂商提供相应的传输规约,由BIM运维管理平台编写相应的程序对数据包进行编译。
  4.1.2 提供数据传输服务的系统(以下称第二类传输)
  主要是一些版本较新的新建系统,如客流统计、车辆管理等,系统本身提供数据传输服务,有标准的数据调用模块,其系统内部已经有完善的功能。这类系统通过国际(或行业)通用的数据传输协议,BIM运维管理平台只要遵循其传输协议,对数据包进行解析即可。这类数据调用不需要通过中间的硬件系统,直接通过网络传输即可,较为方便。
  4.1.3 需要编写传输软件的系统(以下称第三类传输)
  相对于提供数据传输服务的系统,一些版本较早或本身没有数据交互需求的系统,如灯光控制、变配电系统。往往不提供标准的数据接口,通过与系统供应商协商,编写相应的传输软件进行数据的传输。根据系统供应商自身的需求和能力,系统中采取了以下几种方式。
  (1)我方直接编写我方直接编写传输程序,从系统的数据库中直接调用数据,然后传输到BIM运维管理平台的数据库。这种方式较为直接,但需要第三方系统供应商完全开放其系统的数据库,并说明数据库格式。
  (2)第三方直接编写按照我方的数据格式要求,由第三方系统供应商自行编写数据传输程序,定时将数据取出后形成数据包,传输给远端的BIM运维管理平台,由数据采集模块对数据包进行识别。运维管理平台中接入的BA系统采取了这种方法。
  (3)规定中间数据库大多数系统我方则采取这种方法,其自身编写相应的数据传输程序,将数据传入指定的中间数据库,中间数據库的结构完全根据其原有的习惯,BIM运维管理平台定期从中间数据库进行数据读取。这种方式的优势是不会对第三方系统产生影响,见表3。
  根据上述的数据获取方式,第三方系统供应商或设备供应商需要提供以下资料:
  (1)确认系统/设备是否具有远传功能。
  (2)提供系统/设备的传输协议。
  (3)确定系统/设备的传输方式。
  (4)提供系统/设备的测试端口。
  (5)需要规定中间数据库的,约定中间数据库相应格式。
  我方取得相应的资料后,将按图4流程实施。
  5 BIM运维管理平台对场馆各系统的集成
  5.1 对场馆自控系统的集成
  BIM运维管理平台可以通过OPC、BacNet、ModBus等协议,读取场馆自动控制系统所有的点位数据和写入所有可控的点位数据,从而实现对场馆自动控制系统的数据采集和监控。集成后实现以下功能:
  (1)完成对建筑设备运行状态的采集和反馈控制,将所有信息转化为可视化图文方式推送。
  (2)系统一体管理:对空调、送排风、配电、电梯、灯光照明等进行检测,实现统一的平台管理。
  5.2 对门禁管理系统的集成
  门禁系统应基于TCP/IP的网络接口,提供出入口控制、进出记录查询、用户授权、设备状态监控等功能的开发接口。平台能够接受的标准通信协议包括:SDK(用户授权)、OPC或者RS485内部协议(设备状态监控)、ODBC(进出记录查询)。集成后实现以下主要功能:   (1)提供所有出入口设备的状态。
  (2)可选择的开启/关闭每一个出入口。
  (3)可通过用户姓名、ID等特征来检索用户的进出记录。
  (4)可远程对用户进行授权/取消授权。
  (5)可实时接收出入口设备报警信息。
  (6)可实时接收重点人员(黑/白名单)出现时提醒信息。
  5.3 对视频监控系统的集成
  (1)视频监控系统基于TCP/IP的网络接口,提供摄像头云台控制、视频查询、分析等开发接口。平台能够接受的标准通信协议包括:SDK(录像系统)、RS232或者RS485内部协议(矩阵或者大屏控制系统)。
  (2)监控系统通过网络与系统集成管理系统传递视频图像,数字视频矩阵通过TCP/IP与集成系统传递控制信息。显示各楼层地图上所有的摄像机位置、并可通过软件控制切换到指挥中心大屏上。
  (3)实现视频录像的查询、回放、保存、下载、抓图和图片浏览等功能。
  (4)实现视频监控报警接收,摄像机联动功能。
  (5)实现视频画面实时分析集成,实现人员定位,人流密度分析等功能。
  5.4 对能耗管理系统的集成
  运维管理平台通过OPC、TCP、Modbus等协议,读取能耗管理系统的所有数据,从而实现对环境监测系统的集成。集成以后可以实现以下功能:
  (1)监测各设备的能耗数据。
  (2)按年、季度、月统计分析能耗数据。
  (3)将所有能耗数据整理成图表的形式供管理人员参考。
  (4)能查询能耗的历史数据。
  6 运维管理平台对接数据的存储
  6.1 子系统数据接口说明
  项目系统集成基于智能化子系统建设进行,在子系统满足测试条件的条件下,进行接口测试工作编写接口测试报告,根据测试说明进行接口驱动的开发,开发完成并测试无误后进行现场的接口部署工作。接口标准见表4。
  6.2 系统数据存储方式
  (1)针对梅赛德斯—奔驰文化中心项目数据体量大、对接子系统多、数据需要打通等特点,采用阿里云服务器+本地服务器配合使用的数据存储方式。
  (2)本地配置要一台服务器做数据采集用,原因是不能确保对接的子系统都有外网映射,而所有数据都传到云平台,会导致速度较慢。
  (3)TCP/IP协议、Web服务器和浏览器在整个网络上实现信息交换、综合与共享。
  6.3 系统数据备份
  梅赛德斯—奔驰文化中心综合运维管理平台具备完善的数据备份和系统备份措施。能够考虑到数据使用安全的需求,在满足运维的需求同时,提供信息化技术的数据备份和系统备份措施。
  (1)构建基于BIM+GIS的运维管理数据信息库。将通过BIM+GIS的竣工模型通构建BIM+GIS数据库,集成和存储项目的建筑以及设备有关的所有有效信息,集成和存储项目的建筑以及设备有关的所有信息,且保证信息的可永久追溯。
  (2)通过基于BIM+GIS的数据信息库,与设备相关的这些信息能够方便地进行管理、修改、查询、调用;为设备的后期维修和更换提供依据。
  7 结语
  本文对整个梅赛德斯-奔驰文化中心BIM+GIS设备运维管理平台的设计做了较为系统的研究,设计成果具有一定的使用价值。为BIM+GIS设备运维管理平台集成应用于大型多功能场馆提供了一个参考,同时也为BIM+GIS设备运维管理平台与第三方系统的数据融合提供了一种设计思路。
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