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【摘要】文章针对建筑附属设备运维现状，基于数字孪生思想，提出设备运维平台的构建思想，并且基于大数据对设备全生命期智能运维系统。在成都市质量技术监督检测服务中心的项目上局部实践探索。同时解决了底层不同厂商、不同类型的数据采集等技术问题。希望能够为建筑设备运维数字孪生技术的未来发展与应用提供一些思考和借鉴。
【关键词】数字孪生运维管理系统数据采集
【中国分类号】TU712 【文献标志码】B
1 建筑附属设备运维现状
随着建筑设计、建设技术的进步，建筑群和大型单体建筑的建设越来越成熟。计算机技术和人工智能的发展，使得建筑附属设施不仅仅包括传统的电梯、空调、安防设备、照明设备、消防设备、监控设备、综合布线、弱电系统、给排水设备等，而且在建筑环境中使用越来越多的的智能化设施设备和智能系统。这样建筑物能够给使用者提供更多元化、个性化的服务。
一方面人工现场设备维护越来越难，维护成本不断增加，而另一方面用户对设备的维护要求也不断提升。传统的依靠人工巡视、值守、人工开关控制;各个系统独立控制;运维人员后知后觉的运维状态已经不能适应现状。随着互联网的发展，用户希望能够通过互联网对相关设备进行远程诊断和维护，这样可以减少维护工程师到现场的时间和费用，不仅节约了大量的人力和物力的成本，同时也能提供更为快捷的服务，减少客户的损失。可以通过设备厂商的专家来进行系统诊断，服务效率和质量大大提高。还可以通过一些预警或者预案处理，避免故障发生后的损失。再者，在进行设备远程运营维护的过程中收集大量设备运转参数，为设备制造商的后续产品改进设计提供更多分析数据。
因此迫切需要集中化、可视化、智能化联动、基于大数据健康管理（PHM）的运维系统。但是现实中的建筑附属设备要不没有自动化控制单元，要不就是自成独立系统。同时由于没有相关的行业通信协议标准，造成各个设备系统形成信息孤岛，集成困难，更无从实现集中采集数据、智慧联动、健康管理。这样对设备运维带来新的挑战，同时也为运维的提升带来机遇。
2 数字孪生
BIM（Building Information Modelling，建筑信息建模）是大家十分熟悉的概念，而数字孪生（Digital twin）则是在BIM基础上的一种逻辑延伸，更加关注人们与环境如何进行交互。
数字孪生体利用数字技术对物理实体对象的特征、行为、形成过程和性能等进行描述和建模的过程和方法，建立与现实世界物理实体完全对应和一致的虚拟模型，可实时模拟自身在现实环境中的行为和性能;能够根据物理实体运行的实时反馈信息对物理实体的运行状态进行监控，能够依据采集的物理实体的运行数据完善虚拟体的仿真分析算法，当实体数据发生改变时，数字孪生体能进行更新，实现孪生体与实体同生共长。
数字孪生是个普遍适应的理论技术体系，可以在众多领域应用。目前在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域应用较多。以Autodesk公司为代表的工程建设类软件供应商，将数字孪生技术应用于建筑、工厂、基础设施等建设领域，把建筑和基础设施看做产品进行全生命周期的管理。
3 大数据智能运维平台构建
面对行业内的运维需求，以数字孪生为主要建设理论，尝试一个构建具有设备管理、设备监控、远程预警、远程诊断、远程指导、运维保障、远程故障处理、设备优化、数据分析、备件管理等功能的数字孪生运维平台。
数字孪生的三大组成部分分别是现实空间中的物理实体，虚拟空间中的虚拟产品以及连接物理实体与虚拟产品之间的信息通道。对应这三个部分，构建如下系统框架（图1）。
3.1 物理实体部分
这部分主要对应具体的物理设备。对于没有自动化控制部分的设备需要配合传感器，单独研制数据采集及控制板，实现设备状态数据的采集和设备控制功能。对应本身具有远程控制功能的设备，需要研制协议转化卡，将设备厂商的协议转化成系统统一的协议实现设备状态采集和控制。
所有的数据采集卡或者协议转换卡都通过信道连接到网关上，由网关调度控制。连接的信道可以有多种形式，无线的方式有：Wifi、ZigBee、NBIoT、蓝牙等，有线的方式有以太网、485总线等。
3.2 信息通道
通信信道包含设备端的网关软硬件和服务器端的数据解析、命令发送软件（图2）。网关向下与设备通信，向上与服务器通信。同时网关还要承担边缘计算的工作，实现下端区域内的简单智能联动，如：检测到漏水信号，则直接关闭对应的电磁阀。发现二氧化碳过高，则启动排风扇等。
3.3 虚拟部分
本部分即为服务器的软件部分，其中的主要功能简要说明如下。
3.3.1 設备管理
远程运维系统能够对所有售出的设备进行管理，包括设备型号、售出时间、运行地点等信息。由于设备运行地具有分布广、分散的特点，系统提供GIS地图方式来查看运行地点，方便进行快速定位。另外系统中应提供关系数据库表展示的能力，以便展示设备管理的信息。
3.3.2 设备监控
对设备进行远程监控，通过网络技术、通信技术，将分散在不同地点的设备数据接入到远程运维系统中来，对设备运行、易损部件磨损程度及电气控制系统进行检查和校验，便于判断设备的运行情况。
由于设备型号不同，使用的上位机系统和触摸屏等，远程运维系统应能够支持与不同上位机系统或触摸屏进行通信。由于设备运行地点网络条件不同，远程运维系统应支持通过多种方式进行通信。另外，随着设备数量的增加，远程运维系统应能够容纳大量的数据。
对设备的远程监控还包括视频监控，运维系统能够获取设备关键部位的视频信息，为远程诊断、故障维护提供视频信息。
3.3.3 远程诊断、预警、故障维护 远程运维系统的操作员根据设备运行有关的数据、报警、事件等信息，结合设备特性和专家经验，可对其进行远程诊断和故障预警，指导用户按规定及时加注润滑油，检查、调整设备可调整数值至标准范围，紧固松脱的零件等，及时消除设备隐患。
通过对设备的远程监控，远程运维系统收集了大量的数据，掌握了设备技术状况的变化和损耗情况，但这些数据需要与设备模型、专家经验结合，进行分析才能进行准确的设备诊断、预警。故远程运维系统能与设备厂商已有的设备模型、总结出来的专家经验结合，实现远程诊断和预警功能。
当设备出现故障后，远程运维系统可根据故障类型，通知给不同的专家、技术人员，便于相关人员与现场取得联系，尽快排查故障原因、恢复正常运行。
远程运维系统应具有丰富灵活的通知方式，将设备的故障信息及时通知给设备厂商的专家或技术员，以便进行下一步的故障排除和维护工作。
3.3.4 基于大数据的人工智能分析功能，
结合现有的人工智能技术，在系统中建设人工智能算法模型，对数据进行机器学习处理，将人工智能与运营相结合，逐步实现设备的智能运营。包括在设备运营可靠性的提高、设备寿命的提高、设备运营成本的下降等。
4 系统实践
成都市质量技术监督检测服务中心的项目是目前在建的项目，工期到2021年中。在该项目中选择两个应用场景作为内容探索构建运维平台。这两个应用场景分别是：空气质量和新风系统联动，水位和增压泵的联动。为了减少相互的电磁干扰，传感器和网关之间采用485总线连接（图3）。
4.1 简化网关与服务器通信协议
为了简化协议解析和扩展，采用ASCII 编码+产品供应商编码体系。本项目中使用到的編码见表1。
例如：网关上传的格式为“MAC 标识：MAC地址;Temperature：温度值;Humidity：湿度值;CO2：二氧化碳值;HCHO：甲醛值”。对应的数据如下：
MAC：38FF6B064154343041580257;Temperature：27.61C;Humidity：44.80%;CO2：0187ppm;HCHO：0071ug/L。
4.2 网关
本项目的网关采用模块化设计，由电源、直流远供、通信
模块（以太网、连接上位机）、调度卡构成。基本单元可接入10个传感器信道，对应10张可插拔卡，每张卡上可以单独编程处理不同信道、通信协议的传感器。这样网关的结构具有很强的适应性。
在初始设计中，所有厂商设备的协议转换应该在网关完成。传送给服务器应该是自己定义的统一数据格式，但是由于厂商的协议复杂调试不方便、同时变化较快。所以部分设备的协议解析没有放在网关，而是由网关打包，发送到服务器，由服务器负责解析。这样做的好处是便于调试系统，可以在不修改硬件的条件下，响应供应商的变化。确定是增加了服务器端软件的复杂度，降低了服务器处理数据的效率。
4.3 服务器
服务器部署于阿里云服务器中，平台基于Laravel+Swoole架构设计，采用Swoole提供的多线程架构为下位机数据通信提供异步处理的机制，基于Redis设计系统缓存共享数据，为轮询设备状态及系统服务维护。系统前后分离，前端支持PC端操作和微信小程序。
4.4 浏览器
打开浏览器，输入www.hxazyg.com进入平台登录，输入账户密码即可登录平台，见图4。
4.5 微信小程序
采用微信扫二维码，安装“机电运维服务管理平台”小程序。具有实时监控、历史数据、通知等功能（图5）。
5 结束语
数字孪生技术是当前最新的研究热点之一。其价值正在被各专业人员所认同，反映了一种新的先进的生产管理的理念与研究方向。本文基于数字孪生理论，进行建筑附属设
备运维系统的探索性构建，希望能够为建筑设备运维数字孪生技术的未来发展与应用提供一些思考和借鉴。
参考文献
[1] 王成山，董博，于浩，等.智慧城市综合能源系统数字孪生技术及应用[J]. 中国电机工程学报， 2021（5）.
[2] 王艺蕾，陈烨，王文.基于数字孪生的绿色建筑运营成本管理系统设计与应用[J]. 建筑节能，2020（9）.
[3] 邹东，冯剑冰.数字孪生技术在城市轨道交通供电系统中的应用场景分析[J]. 城市轨道交通研究， 2021（3）.
[4] 邓为民， 张丹，罗林春，等.商业综合体云XR数字孪生平台设计[J]. 通信与信息技术， 2021（1）.
【关键词】数字孪生运维管理系统数据采集
【中国分类号】TU712 【文献标志码】B
1 建筑附属设备运维现状
随着建筑设计、建设技术的进步，建筑群和大型单体建筑的建设越来越成熟。计算机技术和人工智能的发展，使得建筑附属设施不仅仅包括传统的电梯、空调、安防设备、照明设备、消防设备、监控设备、综合布线、弱电系统、给排水设备等，而且在建筑环境中使用越来越多的的智能化设施设备和智能系统。这样建筑物能够给使用者提供更多元化、个性化的服务。
一方面人工现场设备维护越来越难，维护成本不断增加，而另一方面用户对设备的维护要求也不断提升。传统的依靠人工巡视、值守、人工开关控制;各个系统独立控制;运维人员后知后觉的运维状态已经不能适应现状。随着互联网的发展，用户希望能够通过互联网对相关设备进行远程诊断和维护，这样可以减少维护工程师到现场的时间和费用，不仅节约了大量的人力和物力的成本，同时也能提供更为快捷的服务，减少客户的损失。可以通过设备厂商的专家来进行系统诊断，服务效率和质量大大提高。还可以通过一些预警或者预案处理，避免故障发生后的损失。再者，在进行设备远程运营维护的过程中收集大量设备运转参数，为设备制造商的后续产品改进设计提供更多分析数据。
因此迫切需要集中化、可视化、智能化联动、基于大数据健康管理（PHM）的运维系统。但是现实中的建筑附属设备要不没有自动化控制单元，要不就是自成独立系统。同时由于没有相关的行业通信协议标准，造成各个设备系统形成信息孤岛，集成困难，更无从实现集中采集数据、智慧联动、健康管理。这样对设备运维带来新的挑战，同时也为运维的提升带来机遇。
2 数字孪生
BIM（Building Information Modelling，建筑信息建模）是大家十分熟悉的概念，而数字孪生（Digital twin）则是在BIM基础上的一种逻辑延伸，更加关注人们与环境如何进行交互。
数字孪生体利用数字技术对物理实体对象的特征、行为、形成过程和性能等进行描述和建模的过程和方法，建立与现实世界物理实体完全对应和一致的虚拟模型，可实时模拟自身在现实环境中的行为和性能;能够根据物理实体运行的实时反馈信息对物理实体的运行状态进行监控，能够依据采集的物理实体的运行数据完善虚拟体的仿真分析算法，当实体数据发生改变时，数字孪生体能进行更新，实现孪生体与实体同生共长。
数字孪生是个普遍适应的理论技术体系，可以在众多领域应用。目前在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域应用较多。以Autodesk公司为代表的工程建设类软件供应商，将数字孪生技术应用于建筑、工厂、基础设施等建设领域，把建筑和基础设施看做产品进行全生命周期的管理。
3 大数据智能运维平台构建
面对行业内的运维需求，以数字孪生为主要建设理论，尝试一个构建具有设备管理、设备监控、远程预警、远程诊断、远程指导、运维保障、远程故障处理、设备优化、数据分析、备件管理等功能的数字孪生运维平台。
数字孪生的三大组成部分分别是现实空间中的物理实体，虚拟空间中的虚拟产品以及连接物理实体与虚拟产品之间的信息通道。对应这三个部分，构建如下系统框架（图1）。
3.1 物理实体部分
这部分主要对应具体的物理设备。对于没有自动化控制部分的设备需要配合传感器，单独研制数据采集及控制板，实现设备状态数据的采集和设备控制功能。对应本身具有远程控制功能的设备，需要研制协议转化卡，将设备厂商的协议转化成系统统一的协议实现设备状态采集和控制。
所有的数据采集卡或者协议转换卡都通过信道连接到网关上，由网关调度控制。连接的信道可以有多种形式，无线的方式有：Wifi、ZigBee、NBIoT、蓝牙等，有线的方式有以太网、485总线等。
3.2 信息通道
通信信道包含设备端的网关软硬件和服务器端的数据解析、命令发送软件（图2）。网关向下与设备通信，向上与服务器通信。同时网关还要承担边缘计算的工作，实现下端区域内的简单智能联动，如：检测到漏水信号，则直接关闭对应的电磁阀。发现二氧化碳过高，则启动排风扇等。
3.3 虚拟部分
本部分即为服务器的软件部分，其中的主要功能简要说明如下。
3.3.1 設备管理
远程运维系统能够对所有售出的设备进行管理，包括设备型号、售出时间、运行地点等信息。由于设备运行地具有分布广、分散的特点，系统提供GIS地图方式来查看运行地点，方便进行快速定位。另外系统中应提供关系数据库表展示的能力，以便展示设备管理的信息。
3.3.2 设备监控
对设备进行远程监控，通过网络技术、通信技术，将分散在不同地点的设备数据接入到远程运维系统中来，对设备运行、易损部件磨损程度及电气控制系统进行检查和校验，便于判断设备的运行情况。
由于设备型号不同，使用的上位机系统和触摸屏等，远程运维系统应能够支持与不同上位机系统或触摸屏进行通信。由于设备运行地点网络条件不同，远程运维系统应支持通过多种方式进行通信。另外，随着设备数量的增加，远程运维系统应能够容纳大量的数据。
对设备的远程监控还包括视频监控，运维系统能够获取设备关键部位的视频信息，为远程诊断、故障维护提供视频信息。
3.3.3 远程诊断、预警、故障维护 远程运维系统的操作员根据设备运行有关的数据、报警、事件等信息，结合设备特性和专家经验，可对其进行远程诊断和故障预警，指导用户按规定及时加注润滑油，检查、调整设备可调整数值至标准范围，紧固松脱的零件等，及时消除设备隐患。
通过对设备的远程监控，远程运维系统收集了大量的数据，掌握了设备技术状况的变化和损耗情况，但这些数据需要与设备模型、专家经验结合，进行分析才能进行准确的设备诊断、预警。故远程运维系统能与设备厂商已有的设备模型、总结出来的专家经验结合，实现远程诊断和预警功能。
当设备出现故障后，远程运维系统可根据故障类型，通知给不同的专家、技术人员，便于相关人员与现场取得联系，尽快排查故障原因、恢复正常运行。
远程运维系统应具有丰富灵活的通知方式，将设备的故障信息及时通知给设备厂商的专家或技术员，以便进行下一步的故障排除和维护工作。
3.3.4 基于大数据的人工智能分析功能，
结合现有的人工智能技术，在系统中建设人工智能算法模型，对数据进行机器学习处理，将人工智能与运营相结合，逐步实现设备的智能运营。包括在设备运营可靠性的提高、设备寿命的提高、设备运营成本的下降等。
4 系统实践
成都市质量技术监督检测服务中心的项目是目前在建的项目，工期到2021年中。在该项目中选择两个应用场景作为内容探索构建运维平台。这两个应用场景分别是：空气质量和新风系统联动，水位和增压泵的联动。为了减少相互的电磁干扰，传感器和网关之间采用485总线连接（图3）。
4.1 简化网关与服务器通信协议
为了简化协议解析和扩展，采用ASCII 编码+产品供应商编码体系。本项目中使用到的編码见表1。
例如：网关上传的格式为“MAC 标识：MAC地址;Temperature：温度值;Humidity：湿度值;CO2：二氧化碳值;HCHO：甲醛值”。对应的数据如下：
MAC：38FF6B064154343041580257;Temperature：27.61C;Humidity：44.80%;CO2：0187ppm;HCHO：0071ug/L。
4.2 网关
本项目的网关采用模块化设计，由电源、直流远供、通信
模块（以太网、连接上位机）、调度卡构成。基本单元可接入10个传感器信道，对应10张可插拔卡，每张卡上可以单独编程处理不同信道、通信协议的传感器。这样网关的结构具有很强的适应性。
在初始设计中，所有厂商设备的协议转换应该在网关完成。传送给服务器应该是自己定义的统一数据格式，但是由于厂商的协议复杂调试不方便、同时变化较快。所以部分设备的协议解析没有放在网关，而是由网关打包，发送到服务器，由服务器负责解析。这样做的好处是便于调试系统，可以在不修改硬件的条件下，响应供应商的变化。确定是增加了服务器端软件的复杂度，降低了服务器处理数据的效率。
4.3 服务器
服务器部署于阿里云服务器中，平台基于Laravel+Swoole架构设计，采用Swoole提供的多线程架构为下位机数据通信提供异步处理的机制，基于Redis设计系统缓存共享数据，为轮询设备状态及系统服务维护。系统前后分离，前端支持PC端操作和微信小程序。
4.4 浏览器
打开浏览器，输入www.hxazyg.com进入平台登录，输入账户密码即可登录平台，见图4。
4.5 微信小程序
采用微信扫二维码，安装“机电运维服务管理平台”小程序。具有实时监控、历史数据、通知等功能（图5）。
5 结束语
数字孪生技术是当前最新的研究热点之一。其价值正在被各专业人员所认同，反映了一种新的先进的生产管理的理念与研究方向。本文基于数字孪生理论，进行建筑附属设
备运维系统的探索性构建，希望能够为建筑设备运维数字孪生技术的未来发展与应用提供一些思考和借鉴。
参考文献
[1] 王成山，董博，于浩，等.智慧城市综合能源系统数字孪生技术及应用[J]. 中国电机工程学报， 2021（5）.
[2] 王艺蕾，陈烨，王文.基于数字孪生的绿色建筑运营成本管理系统设计与应用[J]. 建筑节能，2020（9）.
[3] 邹东，冯剑冰.数字孪生技术在城市轨道交通供电系统中的应用场景分析[J]. 城市轨道交通研究， 2021（3）.
[4] 邓为民， 张丹，罗林春，等.商业综合体云XR数字孪生平台设计[J]. 通信与信息技术， 2021（1）.