羅進 張威

一、 前言

自國家體育總局提出“科技興體”戰(zhàn)略以來，我國高度重視冬奧會科技服務(wù)工作的開展。早在2009年，國家體育總局冬季運動管理中心就開始牽頭，開展實施國家科技支撐計劃項目。此次課題研究總共設(shè)立7個子課題，分別由北京北控京奧建設(shè)有限公司、北京北控智慧城市科技發(fā)展有限公司、北京工業(yè)大學等部門承擔，參與研究的子課題承擔單位共計12個。課題緊緊圍繞我國冬奧備戰(zhàn)、冬奧會的目標和任務(wù)，冬奧項目的制勝規(guī)律等關(guān)鍵問題展開，特別是制約我國冬奧項目發(fā)展的瓶頸問題，進行系統(tǒng)、深入、創(chuàng)新性的研究。該項目的組織實施，充分調(diào)動了我國體育科研人員的積極性，為冬季項目科學研究提供了廣闊的舞臺，有效的提升了我國冬季項目科研服務(wù)水平。

本項目采用多種傳感技術(shù)及數(shù)據(jù)傳輸方式，采集體育館內(nèi)多類別的設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)，結(jié)合BIM模型，實現(xiàn)場館設(shè)備設(shè)施動態(tài)可視化展示和管理。

本文提供一套技術(shù)方案，通過研究多種傳感器及數(shù)據(jù)傳輸方案，結(jié)合場館GIS/BIM模型數(shù)據(jù)，構(gòu)建覆蓋場館各類設(shè)備設(shè)施運行狀況的監(jiān)測系統(tǒng)。實現(xiàn)精準采集不同季節(jié)運行的設(shè)備設(shè)施運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)各種設(shè)備設(shè)施復(fù)雜狀態(tài)可視化，為場館運營提供可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

二、關(guān)鍵技術(shù)研究

（一）技術(shù)方案

目前對于體育館及大型樓宇的監(jiān)控，較多的使用 BAS（Building Automation System，樓宇自動化系統(tǒng)）監(jiān)測和定位設(shè)備。雖然 BAS 系統(tǒng)能夠監(jiān)控冷水機組、空調(diào)機組等大型設(shè)備的運行狀況，這些設(shè)備發(fā)生故障時系統(tǒng)會自動報警，然而 BAS 系統(tǒng)在實際操作中帶來的便利程度并不高。另一方面 BAS 系統(tǒng)信息集成化程度低，一些設(shè)備和構(gòu)件的屬性信息，如故障地點周邊環(huán)境，散布在各種文件中。當故障發(fā)生后，檢修人員或憑對系統(tǒng)熟悉記憶或查閱設(shè)施檔案資料，才能確定故障點位置、獲取故障設(shè)備信息，這一過程比較耗費時間，并很容易受過時信息的影響。依據(jù)BAS 系統(tǒng)，利益相關(guān)人在對故障分析、決策和實施過程中的溝通交流質(zhì)量和效率不高。

參考智能工廠中廣泛采用的現(xiàn)場總線技術(shù)，尤其以我國廣泛使用的LonWorks總線技術(shù)為準。Lonworks（LocalOperatingNetwork，局部操作網(wǎng)絡(luò)）是一個開放的、全分布式監(jiān)控系統(tǒng)專用網(wǎng)絡(luò)平臺技術(shù)，以其獨特的特點已成為目前所有現(xiàn)有的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)功能最為強大，市場效率最高的總線之一。它使用了具有分布控制與通信聯(lián)網(wǎng)功能的大規(guī)模集成的神經(jīng)元芯片（neuronchips）構(gòu)成各個智能監(jiān)控節(jié)點（node），通過網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器（TranReceiver）及網(wǎng)絡(luò)通信媒體將各節(jié)點構(gòu)成全分布式局部操作網(wǎng)絡(luò)（簡稱LON網(wǎng)）。但Lonworks技術(shù)成本普遍偏高，不利于大范圍的體育場館布設(shè)。

針對以上情況，本文提出了一種融合Lonworks現(xiàn)場總線、RS485網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、NB-IoT技術(shù)等多種工控技術(shù)的系統(tǒng)監(jiān)測方案。該方案采用分層逐級管理的機制，底層采用扁平式RS485拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、NB-IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、部分設(shè)備總控接口傳輸?shù)姆绞?。中間層采用Lonworks現(xiàn)場總線對各種網(wǎng)絡(luò)進行組網(wǎng)，最終由中央監(jiān)控主機負責整個監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理及可視化展示。其原理如圖 1所示。

（二） Lonworks神經(jīng)元節(jié)點結(jié)構(gòu)

Lonworks的核心技術(shù)是具有3個8位的CPU神經(jīng)元芯片（Neuron Chip），同時具備通信與控制功能，并且固化了Lontalk協(xié)議，以及34種常見的I/O控制對象。它采用了ISO/OSI模型中完整的七層通信協(xié)議，采用了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，Lonworks技術(shù)將其稱之為“網(wǎng)絡(luò)變量”，使網(wǎng)絡(luò)通信的設(shè)計簡化成為參數(shù)設(shè)置。這樣，不但節(jié)省了大量的設(shè)計工作量，同時增加了通信的可靠性。如圖 2所示。

（三）RS485協(xié)議設(shè)備與Lonworks總線連接方法

RS485轉(zhuǎn)換模塊由3個部分組成，包括由Lon網(wǎng)數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊、Lon網(wǎng)協(xié)議和RS485協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和以RS485通訊模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊是整個系統(tǒng)的核心，其不僅包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，而且完成系統(tǒng)其它顯示傳輸功能。該模塊的主控芯片為海思公司生產(chǎn)，基于國際先進的LonWorks控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，組網(wǎng)靈活、擴展方便、互操作性好；提供LonWorks雙絞線多種收發(fā)器接口類型，通訊速率為78kbps；1路光電隔離的串口通訊RS485接口，可在線編程；LonWorks雙絞線接口采用Neuron FT5000芯片，支持多達254個網(wǎng)絡(luò)變量； AC220V供電，具有過電壓保護功能，可選DC24V供電 ；LonWorks網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議為LonTalk協(xié)議；RS485通訊協(xié)議為ModBus RTU協(xié)議或其它自定義協(xié)議；通過LonWorks訪問MODBUS設(shè)備 ；通過 MODBUS訪問LonWorks設(shè)備 ；作為LonWorks總線主站時，海思首創(chuàng)的自綁定技術(shù)，可與LonWorks總線上的節(jié)點設(shè)備自動綁定LonWorks網(wǎng)絡(luò)變量，無需調(diào)試人員復(fù)雜的手動綁定作業(yè)；實時時鐘，掉電存儲，鐵電可擦寫45億次；采用多種抗干擾技術(shù)，在強電磁干擾環(huán)境中可穩(wěn)定、可靠地工作。

（四）NB-IoT設(shè)備與Lonworks總線連接方法

圖 1 設(shè)備設(shè)施監(jiān)測原理圖

圖 2 神經(jīng)元節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖

圖 3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

針對于纜車、造雪設(shè)備等大型或者移動型設(shè)備不便于監(jiān)測和布設(shè)普通傳感器的設(shè)備，我們采用NB-IoT技術(shù)，利用其覆蓋能力強、功耗低、適用范圍廣、成本低廉、可直接利用普通3G、4G基站即可通信的優(yōu)勢，將此類設(shè)備采集的設(shè)備信息最終保存至寬帶互聯(lián)網(wǎng)下，使其可以方便的接入Lonworks網(wǎng)絡(luò)中。信息采集后便是接入Lonworks的方式，針對此次方案中我們同樣設(shè)計了協(xié)議轉(zhuǎn)換芯片，使其可以方便的受控于Lonworks網(wǎng)路。硬件結(jié)構(gòu)如圖4。

同樣協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊也是整個系統(tǒng)的核心，包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，可以完成系統(tǒng)其它顯示傳輸功能。該模塊的主控芯片為NXP公司生產(chǎn)的LPC17 78，其片上資源包括512 Kb的FLASH存儲器、高達64 Kb的SRAM，系統(tǒng)時鐘頻率可高達 120 MHz，同時可內(nèi)嵌操作系統(tǒng)。LPC1778內(nèi)置外部總線控制器，通過總線方式讀寫雙口RAM，從而完成與數(shù)據(jù)采集收發(fā)模塊的高速數(shù)據(jù)交換。另外，嵌入式WEB服務(wù)器的架構(gòu)需要大容量的存儲器，片上資源已不能夠滿足現(xiàn)有的需要，因此外部擴展一片16 Mb的FLASH SST25VF016B。

圖 4 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

三、系統(tǒng)方案設(shè)計

（一） 總體設(shè)計

場館多種類設(shè)備設(shè)施監(jiān)測功能結(jié)構(gòu)分為設(shè)備信息檔案建立、設(shè)備運行數(shù)據(jù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)融合、及可視化展示幾部分。其功能結(jié)構(gòu)如圖 5所示。

設(shè)備檔案信息部分，是將監(jiān)測設(shè)備的基本硬件參數(shù)錄入到三維模型中，包括設(shè)備型號、參數(shù)、位置信息、圖片等內(nèi)容。

設(shè)備運行數(shù)據(jù)的收集即為本文的幾個關(guān)鍵技術(shù)點。通過各類傳感器將設(shè)備參數(shù)分別通過RS485、NB-IoT、接口等多種方式進行采集傳輸，經(jīng)過不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換過程，匯集到Lonworks網(wǎng)絡(luò)中，最終發(fā)送服務(wù)器進行統(tǒng)一處理。

圖 6 數(shù)據(jù)接入拓撲圖

數(shù)據(jù)融合部分是將采集到設(shè)備運行參數(shù)進行整理或轉(zhuǎn)換，以形成統(tǒng)一格式，方便的與三維BIM模型進行融合，以便實現(xiàn)可視化管理。信息融合采用標準的IFC數(shù)據(jù)標準，每個軟件都能導入、導出這種格式的工程數(shù)據(jù)。IFC標準整體的信息描述分為四個層次， 從下往上分別為資源層、核心層、共享層、領(lǐng)域?qū)?。每個層次又包含若干模塊， 相關(guān)工程信息集中在一個模塊里描述。從技術(shù)方法上分， IFC信息獲取可以有兩種手段，我們主要采用標準格式的程序接口訪問信息。

可視化展示部分是該系統(tǒng)應(yīng)用的最終展示，在BIM模型中查看設(shè)備運行情況，實現(xiàn)智能管理，主要功能模塊有設(shè)備日常監(jiān)測數(shù)據(jù)查看、設(shè)備報警信息、設(shè)備保養(yǎng)信息維護等。

（二） 數(shù)據(jù)接入層設(shè)計

通過不同的數(shù)據(jù)采集方式，最終將所有設(shè)備的參數(shù)收集至Lonworks下的神經(jīng)元節(jié)點，神經(jīng)元節(jié)點利用固化的LonTalk通信協(xié)議進行節(jié)點或總線間的數(shù)據(jù)傳輸，Lonworks總線通過專用路由器交換機最終將設(shè)備數(shù)據(jù)采集至服務(wù)器或中央監(jiān)控主機，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的處理與融合。如圖 6所示。

（三） 可視化展示功能

此部分為系統(tǒng)的最終展示模塊，主要功能有設(shè)備日常監(jiān)測數(shù)據(jù)查看、設(shè)備報警信息、設(shè)備保養(yǎng)信息維護等。

四、結(jié)語

通過整合現(xiàn)有的各類傳感技術(shù)，本文提出了一種利用多傳感技術(shù)監(jiān)測傳輸設(shè)備運行參數(shù)，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換統(tǒng)一管理收集設(shè)備參數(shù)的方法。

結(jié)合雪場GIS/BIM，可以實現(xiàn)對冬奧場館內(nèi)的設(shè)備設(shè)施運行參數(shù)進行全天候、全方位、多角度、多維度地連續(xù)實時精準監(jiān)測，并在三維BIM場景中進行仿真效果渲染，將傳感數(shù)據(jù)與建筑信息模型、地理信息模型的時空融合處理與計算方法，實現(xiàn)各種設(shè)備設(shè)施復(fù)雜狀態(tài)的可視化。

作者單位：北京北控京奧建設(shè)有限公司

基金項目：國家重點研發(fā)計劃科技冬奧專項“復(fù)雜山地條件下冬奧雪上場館設(shè)計建造運維關(guān)鍵技術(shù)”編號：2018YFF0300300