張平

（北京中鐵建電氣化設(shè)計研究院有限公司，北京 100043）

1 概述

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及工業(yè)化進程的加快，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，可讀性差[2]?，F(xiàn)場設(shè)備的運行情況、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)給運營管理人員，極大削弱了運營管理人員對日常運營的監(jiān)控力度，給運營管理人員的日常管理工作帶來不便?；诳⒐つＰ?，開發(fā)相應(yīng)的BIM運維管理系統(tǒng)，可以滿足運營階段信息化、標準化、精細化的管理目標需要[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，是對工程項目相關(guān)信息詳盡的數(shù)字化表達[4]。模型中蘊含了完整的實際信息，包括材料、材質(zhì)、規(guī)格、型號、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，進行三維可視化監(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。

2 BIM特點及其在監(jiān)控系統(tǒng)中的優(yōu)勢

以港珠澳大橋交通工程為例，其包含二十幾個子系統(tǒng)，監(jiān)控設(shè)備上萬個，信號點超10萬個，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)控不利于對整個交通工程進行高效的監(jiān)控管理。BIM特點及其在監(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、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)件之間互動和反饋的三維虛擬實體展示，可以顯著提高不同專業(yè)設(shè)計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、施工、運營的數(shù)字化方法[7]。

（4）隨著BIM的廣泛應(yīng)用，設(shè)計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)項目從設(shè)計、施工到運營維護的整個生命周期的應(yīng)用。實現(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。

3 基于BIM的三維監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案

基于BIM的三維監(jiān)控系統(tǒng)實施方案分為軟件架構(gòu)設(shè)計、數(shù)據(jù)流設(shè)計以及硬件架構(gòu)設(shè)計。

3.1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計

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)進行通信的智能主機/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，進行數(shù)據(jù)的存儲、分發(fā)、計算以及報警的預(yù)處理，較高頻率采集的過程數(shù)據(jù)存入實時數(shù)據(jù)庫中，預(yù)處理層中處理完的數(shù)據(jù)和報警可直接存入歷史數(shù)據(jù)庫中，實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)經(jīng)處理也可轉(zhuǎn)儲到歷史數(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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲以及三維監(jiān)控BIM定制的應(yīng)用服務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的重新組織與管理，并且通過該層的設(shè)置，實現(xiàn)客戶應(yīng)用表現(xiàn)層的隔離，使得整個系統(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)庫包括實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，提供實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的存儲和查詢服務(wù)。負責(zé)實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)、趨勢數(shù)據(jù)的存儲，以及用于持久化存儲和報表展示使用的歷時數(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)和運行平臺實現(xiàn)基于BIM模型的監(jiān)控應(yīng)用的開發(fā)、配置，并運行于三維運行平臺之上，實現(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)

3.2 數(shù)據(jù)流設(shè)計

數(shù)據(jù)流設(shè)計（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)、按鈕動作、鼠標事件、變量轉(zhuǎn)換計算、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)點和用戶操作動作實現(xiàn)關(guān)聯(lián)，將數(shù)據(jù)信號、控制信號以系統(tǒng)頁面操作形式表達出來的核心工具。

（2）設(shè)備實時運行參數(shù)信息。通過數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理、計算、轉(zhuǎn)發(fā)存儲模塊，存入實時、歷史數(shù)據(jù)庫。

（3）BIM模型驅(qū)動引擎模塊。實現(xiàn)BIM模型的讀取、識別、顯示、查詢、操作、控制，讀取監(jiān)控應(yīng)用軟件的實時運行數(shù)據(jù)并疊加展示，接受客戶在三維監(jiān)控界面上進行操作的指令，發(fā)送給監(jiān)控應(yīng)用軟件，實現(xiàn)設(shè)備操控。例如，客戶在三維監(jiān)控界面對某設(shè)備進行操作，就點擊該設(shè)備，這時會彈出對話框，對話框中有操作設(shè)備的指令，點擊某個指令，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，就可實現(xiàn)對該設(shè)備的控制操作。

3.3 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計

基于BIM的三維監(jiān)控系統(tǒng)包括后臺服務(wù)器2臺、工作站1或多臺。其中，1臺服務(wù)器安裝實時數(shù)據(jù)庫，另1臺服務(wù)器安裝標準版Oracle數(shù)據(jù)庫軟件，用來提供數(shù)據(jù)庫存儲及管理服務(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、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)用控件實時查詢設(shè)備的三維路由信息，獲取路由列表，點擊已經(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臺或多臺，安裝監(jiān)控系統(tǒng)軟件及配置工具，操作人員按照相應(yīng)的操作實現(xiàn)三維監(jiān)控。

4 基于BIM的三維監(jiān)控系統(tǒng)功能應(yīng)用

4.1 具體功能

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操作可在虛擬環(huán)境中進行虛擬漫游操作，按下鼠標左鍵，通過拖動鼠標，實現(xiàn)視角的旋轉(zhuǎn)；通過滾動鼠標中鍵滑輪，實現(xiàn)視角的前進、后退；按下鼠標中鍵，通過拖動鼠標，實現(xiàn)視角的上、下、左、右平移?？梢酝ㄟ^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；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

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)中鼠標點擊各個三維虛擬設(shè)備時，觸發(fā)監(jiān)控平臺二維組態(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點信號三維監(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接口實現(xiàn)設(shè)備TAG點信號的周期性主動刷新讀取，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)，通過浮動在三維虛擬設(shè)備旁邊文字標牌的形式，進行TAG點信號實時數(shù)據(jù)的顯示。

4.1.5 監(jiān)控設(shè)備動作仿真模擬

監(jiān)控設(shè)備動作仿真模擬功能主要實現(xiàn)如被監(jiān)控設(shè)備的轉(zhuǎn)動模擬、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)中鼠標點擊某設(shè)備如風(fēng)機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行設(shè)備定位、故障報修、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)信號從現(xiàn)場到管控中心，所經(jīng)歷的各個傳輸鏈路及節(jié)點的情況，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、服務(wù)器、工作站及線路連接情況。

4.2 試驗測試

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)和電動排煙口設(shè)備為例說明。

4.2.1 通風(fēng)系統(tǒng)

點擊射流風(fēng)機，這時會彈出對話框，對話框中有操作設(shè)備的指令，可實現(xiàn)風(fēng)機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止操作（見圖3）。點擊某個指令，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)

點擊大橋上的某個路燈，這時會彈出對話框，對話框中有操作設(shè)備的指令，可實現(xiàn)路燈的開、關(guān)和亮度調(diào)節(jié)控制（見圖4）。點擊某個指令，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，就可實現(xiàn)對該設(shè)備的控制操作。

4.2.3 電動排煙

以電動排煙口為例（見圖5），圖中文字框中標識了從現(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，點擊已經(jīng)三維建模的設(shè)備，系統(tǒng)自動跳轉(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)等的直觀認識。

圖4 照明系統(tǒng)設(shè)備三維監(jiān)控

圖5 電動排煙口三維路由

4.3 系統(tǒng)特點

（1）三維模型實現(xiàn)了與實時監(jiān)控的結(jié)合。通過輕量化三維模型，系統(tǒng)能夠通過顏色、動畫等多種效果，在三維模型內(nèi)直觀的展示機電設(shè)備和系統(tǒng)的運行狀態(tài)，快速定位問題，并且能夠直接進行操控。

（2）實現(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)系實現(xiàn)了全面整合，有效提升監(jiān)控管理信息量，增強管控效能。

（3）可以更為高效的定位設(shè)備問題，進行問題排查分析。直觀顯現(xiàn)空間管理和設(shè)備維護檢修方面所需的信息流和最近供電關(guān)系，同時能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)實時數(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展性。該基于BIM的三維監(jiān)控實現(xiàn)方法是基于軟件接口編程和腳本實現(xiàn)，為常規(guī)的方式，可以很好地進行移植。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。

5 結(jié)束語

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，具有很強的可讀性。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)計者之間的技術(shù)障礙，更利于雙方之間的溝通理解，同時也消除了操作員對新系統(tǒng)、新技術(shù)的認知盲區(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)給運營管理人員，使得系統(tǒng)運行狀態(tài)可在三維模型中進行展示，同時也可以三維展示實時控制和故障狀態(tài)，方便運營人員管理并提高管理效率。