張平
(北京中鐵建電氣化設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100043)
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及工業(yè)化進(jìn)程的加快,現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的工藝流程日益復(fù)雜,生產(chǎn)設(shè)備和系統(tǒng)的規(guī)模也不斷擴(kuò)大,對相應(yīng)的監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高要求。目前,大多數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)所能夠提供的監(jiān)控界面基本都是采用二維圖形界面,畫面表現(xiàn)力弱,監(jiān)控過程中監(jiān)控人員需要在不同窗口之間進(jìn)行切換,從而大大降低監(jiān)控效率。而對于不熟悉現(xiàn)場的監(jiān)控人員,由于畫面的抽象性,更是難以通過監(jiān)控界面了解現(xiàn)場設(shè)備的布局及工藝流程[1]。
傳統(tǒng)的二維圖像界面表現(xiàn)形式單一、枯燥,表現(xiàn)內(nèi)容不夠形象、生動(dòng),可讀性差[2]?,F(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行情況、各類傳感器的安裝位置以及測量參數(shù)都不能夠直觀形象地呈現(xiàn)給運(yùn)營管理人員,極大削弱了運(yùn)營管理人員對日常運(yùn)營的監(jiān)控力度,給運(yùn)營管理人員的日常管理工作帶來不便。基于竣工模型,開發(fā)相應(yīng)的BIM運(yùn)維管理系統(tǒng),可以滿足運(yùn)營階段信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化的管理目標(biāo)需要[3]。
建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)并集成建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息的工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型,是對工程項(xiàng)目相關(guān)信息詳盡的數(shù)字化表達(dá)[4]。模型中蘊(yùn)含了完整的實(shí)際信息,包括材料、材質(zhì)、規(guī)格、型號(hào)、尺寸、構(gòu)造及其他各種相關(guān)信息[5]。
利用BIM技術(shù)建立基于BIM的三維監(jiān)控系統(tǒng),利用BIM可視化、信息高度集成的特點(diǎn),進(jìn)行三維可視化監(jiān)控和模擬,并在港珠澳大橋交通工程綜合監(jiān)控系統(tǒng)中應(yīng)用,提升日常監(jiān)控管理的效率和科學(xué)把控。
以港珠澳大橋交通工程為例,其包含二十幾個(gè)子系統(tǒng),監(jiān)控設(shè)備上萬個(gè),信號(hào)點(diǎn)超10萬個(gè),監(jiān)控信息量大、日常監(jiān)控管理復(fù)雜,對監(jiān)控人員的要求高。傳統(tǒng)二維監(jiān)控不利于對整個(gè)交通工程進(jìn)行高效的監(jiān)控管理。BIM特點(diǎn)及其在監(jiān)控系統(tǒng)中的優(yōu)勢如下:
(1)信息的全面性,BIM模型中包含了大量的信息,如制造商、產(chǎn)品規(guī)格型號(hào)、安裝位置、設(shè)備編碼等各種信息,通過對BIM技術(shù)的應(yīng)用可以對上述各種信息在同一個(gè)三維模型中統(tǒng)一管理,方便了信息的查詢和管理。
(2)模型的可視化,BIM技術(shù)可視化是能夠在構(gòu)件之間互動(dòng)和反饋的三維虛擬實(shí)體展示,可以顯著提高不同專業(yè)設(shè)計(jì)人員之間溝通與交流的能力[6]。
(3)BIM模型不僅是數(shù)字信息的集成,更重要的是對這些數(shù)字信息的應(yīng)用,并可以用于規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營的數(shù)字化方法[7]。
(4)隨著BIM的廣泛應(yīng)用,設(shè)計(jì)和施工過程的大量工作和工藝過程被量化、數(shù)字化、參數(shù)化、信息化[8],使基于BIM的運(yùn)營監(jiān)控成為可能。
(5)全生命周期覆蓋,BIM技術(shù)應(yīng)用可以持續(xù)在建設(shè)項(xiàng)目從設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)營維護(hù)的整個(gè)生命周期的應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)了信息的全面共享和傳遞,避免了信息滯后與信息孤島現(xiàn)象。
基于BIM的三維監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)施方案分為軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)以及硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)功能從下至上大致分為3層,即數(shù)據(jù)處理層、應(yīng)用服務(wù)層以及應(yīng)用表現(xiàn)層。
3.1.1 數(shù)據(jù)處理層
數(shù)據(jù)處理層由現(xiàn)場硬件設(shè)備構(gòu)成(包含與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信的智能主機(jī)/集控箱等硬件設(shè)備和接口以及將底層傳輸轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)絡(luò)通信物理層協(xié)議的轉(zhuǎn)換設(shè)備和相關(guān)連接線)。其中,數(shù)據(jù)處理服務(wù)根據(jù)系統(tǒng)中所做的配置,進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分發(fā)、計(jì)算以及報(bào)警的預(yù)處理,較高頻率采集的過程數(shù)據(jù)存入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中,預(yù)處理層中處理完的數(shù)據(jù)和報(bào)警可直接存入歷史數(shù)據(jù)庫中,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)經(jīng)處理也可轉(zhuǎn)儲(chǔ)到歷史數(shù)據(jù)庫中長期保存。
3.1.2 應(yīng)用服務(wù)層
在應(yīng)用服務(wù)層,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及三維監(jiān)控BIM定制的應(yīng)用服務(wù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的重新組織與管理,并且通過該層的設(shè)置,實(shí)現(xiàn)客戶應(yīng)用表現(xiàn)層的隔離,使得整個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)松耦合的結(jié)構(gòu),具體包括的部分主要包括:
(1)數(shù)據(jù)庫包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫,提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢服務(wù)。負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、趨勢數(shù)據(jù)的存儲(chǔ),以及用于持久化存儲(chǔ)和報(bào)表展示使用的歷時(shí)數(shù)據(jù)。
(2)基于通用服務(wù)框架定制開發(fā)的BIM系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)。
3.1.3 應(yīng)用表現(xiàn)層
三維監(jiān)控開發(fā)和運(yùn)行平臺(tái)實(shí)現(xiàn)基于BIM模型的監(jiān)控應(yīng)用的開發(fā)、配置,并運(yùn)行于三維運(yùn)行平臺(tái)之上,實(shí)現(xiàn)三維畫面的顯示以及相關(guān)腳本的調(diào)用執(zhí)行。
三維監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)見圖1。
圖1 三維監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)
數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)(見圖2)中主要模塊功能如下:
(1)業(yè)務(wù)邏輯處理/應(yīng)用服務(wù)模塊。業(yè)務(wù)邏輯處理涉及例如初始化頁面參數(shù)、按鈕動(dòng)作、鼠標(biāo)事件、變量轉(zhuǎn)換計(jì)算、圖元隱藏/顯示、圖片切換、彈出窗口、切換畫面這些操作以及頁面控制邏輯功能。應(yīng)用服務(wù)模塊涉及的各類應(yīng)用系統(tǒng),對于用戶展示來說,該層是不可見的。對于系統(tǒng)而言,是將數(shù)據(jù)點(diǎn)和用戶操作動(dòng)作實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián),將數(shù)據(jù)信號(hào)、控制信號(hào)以系統(tǒng)頁面操作形式表達(dá)出來的核心工具。
(2)設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)信息。通過數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算、轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)模塊,存入實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)庫。
(3)BIM模型驅(qū)動(dòng)引擎模塊。實(shí)現(xiàn)BIM模型的讀取、識(shí)別、顯示、查詢、操作、控制,讀取監(jiān)控應(yīng)用軟件的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)并疊加展示,接受客戶在三維監(jiān)控界面上進(jìn)行操作的指令,發(fā)送給監(jiān)控應(yīng)用軟件,實(shí)現(xiàn)設(shè)備操控。例如,客戶在三維監(jiān)控界面對某設(shè)備進(jìn)行操作,就點(diǎn)擊該設(shè)備,這時(shí)會(huì)彈出對話框,對話框中有操作設(shè)備的指令,點(diǎn)擊某個(gè)指令,該指令通過三維監(jiān)控系統(tǒng)與監(jiān)控應(yīng)用軟件間的信息交互調(diào)用,并通過業(yè)務(wù)邏輯處理/應(yīng)用服務(wù)模塊將指令發(fā)送給監(jiān)控應(yīng)用軟件,就可實(shí)現(xiàn)對該設(shè)備的控制操作。
基于BIM的三維監(jiān)控系統(tǒng)包括后臺(tái)服務(wù)器2臺(tái)、工作站1或多臺(tái)。其中,1臺(tái)服務(wù)器安裝實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫,另1臺(tái)服務(wù)器安裝標(biāo)準(zhǔn)版Oracle數(shù)據(jù)庫軟件,用來提供數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)及管理服務(wù),主要用作設(shè)備基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,將監(jiān)控系統(tǒng)中的設(shè)備、線纜的編號(hào)、類型、位置、設(shè)備描述等基礎(chǔ)信息存入到數(shù)據(jù)庫中,并按照所屬系統(tǒng)分別存為不同的數(shù)據(jù)庫表。
設(shè)備基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫建立之后,配置Oracle Net Configurtion Assistant連接數(shù)據(jù)庫,建立ODBC數(shù)據(jù)源,監(jiān)控系統(tǒng)客戶端軟件調(diào)用控件實(shí)時(shí)查詢設(shè)備的三維路由信息,獲取路由列表,點(diǎn)擊已經(jīng)三維建模的設(shè)備,調(diào)用三維顯示模塊控件,系統(tǒng)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至三維監(jiān)控界面并精確定位到此設(shè)備。
工作站可以是1臺(tái)或多臺(tái),安裝監(jiān)控系統(tǒng)軟件及配置工具,操作人員按照相應(yīng)的操作實(shí)現(xiàn)三維監(jiān)控。
4.1.1 虛擬漫游
建立BIM模型,再通過三維模型加載接口(public void RH_FILE_OPEN(string fileName))把BIM模型加載到BIM模型驅(qū)動(dòng)引擎模塊。加載成功后,就可以在三維監(jiān)控界面上通過鍵盤鼠標(biāo)操作可在虛擬環(huán)境中進(jìn)行虛擬漫游操作,按下鼠標(biāo)左鍵,通過拖動(dòng)鼠標(biāo),實(shí)現(xiàn)視角的旋轉(zhuǎn);通過滾動(dòng)鼠標(biāo)中鍵滑輪,實(shí)現(xiàn)視角的前進(jìn)、后退;按下鼠標(biāo)中鍵,通過拖動(dòng)鼠標(biāo),實(shí)現(xiàn)視角的上、下、左、右平移。可以通過鍵盤的“W、S、A、D、Q、E”等鍵位來控制視角前、后、左、右、上、下的移動(dòng);通過鍵盤方向鍵“Left、Right、Up、Down”控制視角的旋轉(zhuǎn)。
4.1.2 設(shè)備定位導(dǎo)航
圖2 數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)
建立BIM模型,再通過三維模型加載接口(public void RH_FILE_OPEN(string fileName))把BIM模型加載到BIM模型驅(qū)動(dòng)引擎模塊。加載成功后,監(jiān)控二維組態(tài)頁面先調(diào)用定位操作接口(public void RH_OBSERVE_CENTER_NODE(string objname)),再通過業(yè)務(wù)邏輯處理/應(yīng)用服務(wù)模塊實(shí)現(xiàn)從監(jiān)控二維顯示頁面到監(jiān)控三維展示畫面的定位、跳轉(zhuǎn)顯示。
4.1.3 設(shè)備交互
完成BIM建模,再通過三維模型加載接口(public void RH_FILE_OPEN(string fileName))把BIM模型加載到BIM模型驅(qū)動(dòng)引擎模塊。加載成功后,三維監(jiān)控系統(tǒng)通過設(shè)備交互點(diǎn)擊事件接口(public void RH_VIEW_SELECTEDSTATE(int state))的調(diào)用,在三維監(jiān)控系統(tǒng)中鼠標(biāo)點(diǎn)擊各個(gè)三維虛擬設(shè)備時(shí),觸發(fā)監(jiān)控平臺(tái)二維組態(tài)頁面中的VBS腳本事件,再通過業(yè)務(wù)邏輯處理/應(yīng)用服務(wù)模塊將所點(diǎn)擊的設(shè)備名稱以字串參數(shù)的形式傳給三維展示系統(tǒng)顯示。
4.1.4 設(shè)備TAG點(diǎn)信號(hào)三維監(jiān)視
完成BIM建模,再通過三維模型加載接口(public void RH_FILE_OPEN(string fileName))把BIM模型加載到BIM模型驅(qū)動(dòng)引擎模塊。加載成功后,監(jiān)控應(yīng)用軟件通過系統(tǒng)提供的RDA接口實(shí)現(xiàn)設(shè)備TAG點(diǎn)信號(hào)的周期性主動(dòng)刷新讀取,并通過業(yè)務(wù)邏輯處理/應(yīng)用服務(wù)模塊將所讀取的數(shù)據(jù),通過浮動(dòng)在三維虛擬設(shè)備旁邊文字標(biāo)牌的形式,進(jìn)行TAG點(diǎn)信號(hào)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示。
4.1.5 監(jiān)控設(shè)備動(dòng)作仿真模擬
監(jiān)控設(shè)備動(dòng)作仿真模擬功能主要實(shí)現(xiàn)如被監(jiān)控設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)模擬、切換模擬或者是屏幕文字切換模擬等。首先完成BIM建模,再通過三維模型加載接口(public void RH_FILE_OPEN(string fileName))把BIM模型加載到BIM模型驅(qū)動(dòng)引擎模塊。加載成功后,客戶在三維監(jiān)控界面對某設(shè)備進(jìn)行操作。
4.1.6 BIM數(shù)據(jù)集成
完成BIM建模,再通過三維模型加載接口(public void RH_FILE_OPEN(string fileName))把BIM模型加載到BIM模型驅(qū)動(dòng)引擎模塊;BIM數(shù)據(jù)以Excel表格或者Access數(shù)據(jù)文件的形式進(jìn)行管理配置,并保存在操作工作站上,數(shù)據(jù)來源為BIM建模源文件導(dǎo)出。模型和數(shù)據(jù)加載成功后,通過交互點(diǎn)擊三維模型,可調(diào)閱該模型關(guān)聯(lián)的BIM數(shù)據(jù),如設(shè)備的編碼、名稱、位置等信息。數(shù)據(jù)集成具體方案如下:
(1)將輕量化后的三維模型進(jìn)行重新命名,使三維模型的名稱與BIM數(shù)據(jù)中的設(shè)備編碼一致;
(2)三維系統(tǒng)中鼠標(biāo)點(diǎn)擊某設(shè)備如風(fēng)機(jī)獲得三維模型的編碼ID;
(3)通過三維模型編碼ID查找Excel表格或者Access數(shù)據(jù)文件,查詢對應(yīng)設(shè)備ID的BIM數(shù)據(jù);
(4)將查詢到的BIM數(shù)據(jù)通過業(yè)務(wù)邏輯處理/應(yīng)用服務(wù)模塊在彈出窗口畫面中顯示。
4.1.7 三維路由功能
三維路由功能主要用于操作人員快速進(jìn)行設(shè)備定位、故障報(bào)修、操作培訓(xùn)等用途,包含設(shè)備路由展示功能和設(shè)備三維定位功能。
設(shè)備路由展示功能:首先完成BIM建模,再通過三維模型加載接口(public void RH_FILE_OPEN(string fileName))把BIM模型加載到BIM模型驅(qū)動(dòng)引擎模塊。用戶在二維監(jiān)控系統(tǒng)界面,執(zhí)行從二維監(jiān)控系統(tǒng)到三維監(jiān)控跳轉(zhuǎn)指令,該指令通過三維監(jiān)控系統(tǒng)與二維監(jiān)控間的信息交互調(diào)用,并通過業(yè)務(wù)邏輯處理/應(yīng)用服務(wù)模塊將指令發(fā)送給三維監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)從二維監(jiān)控到三維監(jiān)控的跳轉(zhuǎn)。在三維監(jiān)控系統(tǒng)中選中某一設(shè)備,點(diǎn)擊“顯示路由”操作指令,就可顯示出該設(shè)備的控制或狀態(tài)信號(hào)從現(xiàn)場到管控中心,所經(jīng)歷的各個(gè)傳輸鏈路及節(jié)點(diǎn)的情況,包括監(jiān)控設(shè)備本體、設(shè)備控制箱、通訊網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、服務(wù)器、工作站及線路連接情況。
該三維監(jiān)控系統(tǒng)在港珠澳大橋交通工程綜合監(jiān)控中成功應(yīng)用,以通風(fēng)、照明系統(tǒng)和電動(dòng)排煙口設(shè)備為例說明。
4.2.1 通風(fēng)系統(tǒng)
點(diǎn)擊射流風(fēng)機(jī),這時(shí)會(huì)彈出對話框,對話框中有操作設(shè)備的指令,可實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止操作(見圖3)。點(diǎn)擊某個(gè)指令,該指令通過三維監(jiān)控系統(tǒng)與監(jiān)控應(yīng)用軟件間的信息交互調(diào)用,并通過業(yè)務(wù)邏輯處理/應(yīng)用服務(wù)模塊將指令發(fā)送給監(jiān)控應(yīng)用軟件,就可實(shí)現(xiàn)對該設(shè)備的控制操作。除了控制操作,在三維監(jiān)控界面上可以展示更多的數(shù)據(jù)信息。
圖3 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)備三維監(jiān)控
4.2.2 照明系統(tǒng)
點(diǎn)擊大橋上的某個(gè)路燈,這時(shí)會(huì)彈出對話框,對話框中有操作設(shè)備的指令,可實(shí)現(xiàn)路燈的開、關(guān)和亮度調(diào)節(jié)控制(見圖4)。點(diǎn)擊某個(gè)指令,該指令通過三維監(jiān)控系統(tǒng)與監(jiān)控應(yīng)用軟件間的信息交互調(diào)用,并通過業(yè)務(wù)邏輯處理/應(yīng)用服務(wù)模塊將指令發(fā)送給監(jiān)控應(yīng)用軟件,就可實(shí)現(xiàn)對該設(shè)備的控制操作。
4.2.3 電動(dòng)排煙
以電動(dòng)排煙口為例(見圖5),圖中文字框中標(biāo)識(shí)了從現(xiàn)場終端設(shè)備到控制中心所經(jīng)過的路由以及該路由上的相關(guān)設(shè)備及線纜信息。紅色線纜代表該終端設(shè)備的供電路由,藍(lán)色線纜為該設(shè)備的控制路由。
設(shè)備三維定位功能:用戶在上述三維監(jiān)控設(shè)備路由展示界面上,可選擇任一監(jiān)控對象,點(diǎn)擊已經(jīng)三維建模的設(shè)備,系統(tǒng)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至三維監(jiān)控界面并精確定位到此設(shè)備;對于未進(jìn)行三維建模的設(shè)備,系統(tǒng)將顯示該設(shè)備的上連、下連線纜、設(shè)備位置等屬性。使得用戶獲得對設(shè)備的位置、形態(tài)等的直觀認(rèn)識(shí)。
圖4 照明系統(tǒng)設(shè)備三維監(jiān)控
圖5 電動(dòng)排煙口三維路由
(1)三維模型實(shí)現(xiàn)了與實(shí)時(shí)監(jiān)控的結(jié)合。通過輕量化三維模型,系統(tǒng)能夠通過顏色、動(dòng)畫等多種效果,在三維模型內(nèi)直觀的展示機(jī)電設(shè)備和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),快速定位問題,并且能夠直接進(jìn)行操控。
(2)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備、數(shù)據(jù)流向、供電關(guān)系的多維信息整合。通過直觀的 展示,將設(shè)備空間位置、數(shù)據(jù)流向、供電關(guān)系實(shí)現(xiàn)了全面整合,有效提升監(jiān)控管理信息量,增強(qiáng)管控效能。
(3)可以更為高效的定位設(shè)備問題,進(jìn)行問題排查分析。直觀顯現(xiàn)空間管理和設(shè)備維護(hù)檢修方面所需的信息流和最近供電關(guān)系,同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的展示,便于快速定位和查找。
(4)有很好的開放性和擴(kuò)展性。該基于BIM的三維監(jiān)控實(shí)現(xiàn)方法是基于軟件接口編程和腳本實(shí)現(xiàn),為常規(guī)的方式,可以很好地進(jìn)行移植。除了可以在高速公路監(jiān)控中應(yīng)用,還可以在鐵路、地鐵等其他行業(yè)監(jiān)控中應(yīng)用。
提供一種基于BIM的三維監(jiān)控系統(tǒng),開創(chuàng)了一種全新的系統(tǒng)監(jiān)控模式, 消除了傳統(tǒng)二維圖像界面表現(xiàn)形式單一、枯燥的弊端,表現(xiàn)的內(nèi)容形象、生動(dòng),具有很強(qiáng)的可讀性。系統(tǒng)操作員通過觸手可及的三維模型,消除了系統(tǒng)操作員與系統(tǒng)設(shè)計(jì)者之間的技術(shù)障礙,更利于雙方之間的溝通理解,同時(shí)也消除了操作員對新系統(tǒng)、新技術(shù)的認(rèn)知盲區(qū),有助于加深理解和加快掌握新技術(shù)。
現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行情況、各類傳感器的安裝位置以及測量參數(shù)都可以三維形式直觀形象地呈現(xiàn)給運(yùn)營管理人員,使得系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)可在三維模型中進(jìn)行展示,同時(shí)也可以三維展示實(shí)時(shí)控制和故障狀態(tài),方便運(yùn)營人員管理并提高管理效率。