發(fā)布時(shí)間：2021-11-30所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要：現(xiàn)行的設(shè)施管理方法下暖通空調(diào)系統(tǒng)故障定位過(guò)程的耗時(shí)低效問(wèn)題，是由可視化程度差和信息集成化程度低造成的。 BIM 技術(shù)三維顯示和共享參數(shù)功能與傳感器結(jié)合能夠提高故障定位過(guò)程的可視化和信息集成水平。構(gòu)建了 BIM 與傳感器結(jié)合的設(shè)施管理系統(tǒng)，論述了該系統(tǒng)的
摘 要：現(xiàn)行的設(shè)施管理方法下暖通空調(diào)系統(tǒng)故障定位過(guò)程的耗時(shí)低效問(wèn)題，是由可視化程度差和信息集成化程度低造成的。 BIM 技術(shù)三維顯示和共享參數(shù)功能與傳感器結(jié)合能夠提高故障定位過(guò)程的可視化和信息集成水平。構(gòu)建了 BIM 與傳感器結(jié)合的設(shè)施管理系統(tǒng)，論述了該系統(tǒng)的構(gòu)建思路、方法以及關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)建筑物溫度異常狀況進(jìn)行定性分析;綜合運(yùn)用拓?fù)鋵W(xué)原理和最小信息長(zhǎng)度理論確定最優(yōu)故障方案，以推進(jìn)設(shè)施管理自動(dòng)化的發(fā)展。
關(guān)鍵詞：設(shè)施管理;BIM;傳感器;數(shù)據(jù)庫(kù);故障定位
建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)是為室內(nèi)用戶提供舒適的溫濕度和清新空氣環(huán)境的設(shè)施系統(tǒng)，該系統(tǒng)分布范圍廣、涉及到的設(shè)備或系統(tǒng)構(gòu)件(包括除空調(diào)機(jī)組、冷水機(jī)組等大型設(shè)備外的系統(tǒng)元件，如風(fēng)管、交叉連接件、風(fēng)閥等，以下均簡(jiǎn)稱構(gòu)件)數(shù)量繁多，且各種設(shè)備或構(gòu)件之間需相互配合、協(xié)調(diào)，在此過(guò)程中極易發(fā)生故障。故障的發(fā)生會(huì)降低室內(nèi)舒適度、影響用戶體驗(yàn)，縮短設(shè)備使用壽命，甚至?xí)黾雍哪茇?fù)荷的可能性，增加運(yùn)維成本。有研究表明，設(shè)備在全生命周期耗用的總成本是初始投資的 7 倍 [1]，其中用于設(shè)備的運(yùn)營(yíng)與維護(hù)占 85%以上[2]。暖通空調(diào)系統(tǒng)是能耗最大的設(shè)施系統(tǒng)，其運(yùn)行能耗一般會(huì)占到總體建筑能耗的 60%以上[3]，而經(jīng)過(guò)故障檢測(cè)與診斷，優(yōu)化暖通空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行后，建筑能耗能夠減少 20%~30%[4]。因此，提高設(shè)施管理人員完成暖通空調(diào)系統(tǒng)故障檢修的工作效率，不僅可以提高用戶滿意度，還能降低能耗、減少運(yùn)維成本，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。
現(xiàn)行的暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控直觀化不夠，影響檢修效率。一般故障檢修的全過(guò)程依次為故障檢測(cè)、故障點(diǎn)定位、依據(jù)設(shè)備和構(gòu)件參數(shù)及周邊環(huán)境制定維修方案、故障維修、填制維修單。多數(shù)企業(yè)應(yīng)用 BAS(Building Automation System，樓宇自動(dòng)化系統(tǒng))檢測(cè)和定位故障。雖然 BAS 系統(tǒng)能夠監(jiān)控冷水機(jī)組、空調(diào)機(jī)組等大型設(shè)備的運(yùn)行狀況，這些設(shè)備發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，然而 BAS 系收稿日期：2018-02-08. 統(tǒng)在實(shí)際操作中帶來(lái)的便利程度并不高。一方面BAS 系統(tǒng)的二維顯示方式直觀化程度低，只能簡(jiǎn)略顯示設(shè)備的平面位置，無(wú)法查看設(shè)備具體形態(tài)及所處周圍環(huán)境。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(diǎn)周邊環(huán)境，散布在各種文件中。當(dāng)故障發(fā)生后，檢修人員或憑對(duì)系統(tǒng)熟悉記憶或查閱設(shè)施檔案資料，才能確定故障點(diǎn)位置、獲取故障設(shè)備信息，這一過(guò)程比較耗費(fèi)時(shí)間，并很容易受過(guò)時(shí)信息的影響。依據(jù) BAS 系統(tǒng)，利益相關(guān)人在對(duì)故障分析、決策和實(shí)施過(guò)程中的溝通交流質(zhì)量和效率不高。上述問(wèn)題可通過(guò)傳感器與設(shè)施管理 BIM 模型相連的途徑來(lái)解決。
一些研究將 BIM 技術(shù)與傳感器相結(jié)合，以提高建筑設(shè)施的故障檢測(cè)和定位效率。Chen 等[5]以 Revit 為運(yùn)維管理平臺(tái)做二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施的可視化和傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)圖形顯示，監(jiān)控設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)。但其使用的 BIM 軟件輕量化程度不夠，使用復(fù)雜且消耗資源較大。Liu 等[6]將傳感器數(shù)據(jù)與 BIM 模型結(jié)合，提供了傳感器空間位置及暖通空調(diào)系統(tǒng)表現(xiàn)狀況和房間材料快速檢索的原型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方法，輔助決策和管理過(guò)程。劉林等[7]提出應(yīng)用 BIM 和傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障設(shè)備定位、故障遠(yuǎn)程診斷及相關(guān)信息顯示的物業(yè)管理平臺(tái)框架，然而并沒(méi)有詳細(xì)介紹具體的平臺(tái)構(gòu)建方法。Chan 等[8]提出通過(guò)建立跨平臺(tái)管理系統(tǒng)整合 BIM、傳感器、RFID、BAS、 CCTV、RTLS 等獲取的信息，簡(jiǎn)化運(yùn)維期故障定位信息查找過(guò)程。以上研究均在一定程度上提高了信息的可重用性、互操作性以及管理過(guò)程可視化，但它們都不能自動(dòng)高亮顯示故障點(diǎn)位置及周圍環(huán)境，對(duì)于大體量、空間劃分復(fù)雜的建筑，鎖定故障點(diǎn)位置仍需耗費(fèi)一定時(shí)間，可視化程度不高。為此，本文充分利用 BIM 與傳感器結(jié)合在提高故障檢測(cè)和定位效率方面的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建設(shè)施管理系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)暖通空調(diào)系統(tǒng)故障的自動(dòng)化定位，進(jìn)而降低設(shè)施管理成本，提高設(shè)施管理效率和管理水平。
1 傳感器與 BIM 結(jié)合的設(shè)施管理系統(tǒng)
1.1 思路和框架
設(shè)施管理系統(tǒng)運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)來(lái)自 BIM 模型和傳感器的數(shù)據(jù)。BIM 模型不僅包含分散在各專業(yè)圖紙和系統(tǒng)中的建筑、結(jié)構(gòu)及相關(guān)設(shè)備或構(gòu)件屬性信息等，還包括設(shè)施管理所需的設(shè)備或構(gòu)件編碼、位置、連接關(guān)系等信息，進(jìn)而生成三維圖元數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用于可視化設(shè)施管理平臺(tái)。溫度傳感器用于獲取建筑物室外氣溫以及實(shí)時(shí)房間和暖通空調(diào)系統(tǒng)末端端口溫度值，前者是調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)最佳溫度的依據(jù)，后者用來(lái)判斷暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀況和故障報(bào)警。以上全部信息和數(shù)據(jù)均儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以保持信息的完整性從而方便管理人員通過(guò)可視化設(shè)施管理平臺(tái)調(diào)取。
設(shè)施管理人員在可視化設(shè)施管理平臺(tái)操作并實(shí)現(xiàn)功能。平臺(tái)基于傳感器實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，自動(dòng)分析并判斷數(shù)據(jù)是否存在異常以及異常產(chǎn)生的原因，若系統(tǒng)判斷暖通空調(diào)系統(tǒng)發(fā)生故障，則管理人員可使用故障檢測(cè)功能尋找一系列最有可能的故障點(diǎn)，且高亮顯示故障點(diǎn)及所在位置，查看設(shè)備或構(gòu)件維修所需的相關(guān)信息;故障點(diǎn)維修完畢后設(shè)施管理系統(tǒng)自動(dòng)存檔維修記錄，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維檔案的自動(dòng)化管理，從而提高維修效率和設(shè)施管理水平。
基于 BIM 和傳感器的設(shè)施管理系統(tǒng)包括信息、平臺(tái)和功能 3 個(gè)層次，如圖 1 所示。信息層是設(shè)施管理系統(tǒng)的信息支撐，能夠滿足設(shè)施管理過(guò)程中管理人員對(duì)運(yùn)維管理、用戶管理、空間管理和財(cái)務(wù)管理等多個(gè)方面的信息需求，這些信息存儲(chǔ)在 BIM 模型和數(shù)據(jù)庫(kù)中。平臺(tái)層是信息交互的媒介，通過(guò)平臺(tái)層可調(diào)用信息層信息，也可寫入設(shè)施管理信息到數(shù)據(jù)庫(kù)中;系統(tǒng)功能通過(guò)平臺(tái)層得以實(shí)現(xiàn)。功能層是基于平臺(tái)層進(jìn)行一系列操作后，設(shè)施管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能。
1.2 系統(tǒng)功能
結(jié)合設(shè)施管理人員的日常需求開(kāi)發(fā) 3 個(gè)模塊的功能，分別為暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀況監(jiān)控、暖通空調(diào)系統(tǒng)故障的自動(dòng)定位和記錄以及可視化與信息查詢，具體功能如圖 2 所示。3 個(gè)模塊功能相互配合，從而實(shí)現(xiàn)暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀況的監(jiān)控以及故障的自動(dòng)檢測(cè)和定位。
(1)暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀況監(jiān)控。該功能提供各個(gè)房間及房間內(nèi)部暖通空調(diào)系統(tǒng)末端端口的實(shí)時(shí)溫度和歷史溫度數(shù)據(jù)，供設(shè)施管理人員查看。傳統(tǒng)設(shè)施管理模式下，管理人員僅設(shè)定暖通空調(diào)系統(tǒng)的輸出溫度，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)每個(gè)房間的實(shí)際溫度狀況只能通過(guò)該房間的用戶反饋獲得，若對(duì)所有房間用戶逐一采訪，無(wú)疑會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，降低工作效率。而借助傳感技術(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)可實(shí)時(shí)讀取溫度值，在平臺(tái)端將溫度數(shù)據(jù)以動(dòng)態(tài)波形圖和表格的形式顯示，設(shè)施管理人員通過(guò)簡(jiǎn)單操作便可查看各傳感器輸出溫度值，監(jiān)督暖通空調(diào)系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀況。另外，平臺(tái)在后臺(tái)對(duì)溫度值進(jìn)行分析并判斷房間溫度是否異常。當(dāng)溫度值出現(xiàn)異常時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)彈出異常警告窗口，附上異常原因和位置信息并高亮顯示，提示設(shè)施管理人員，智能化監(jiān)控暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀況。
(2)暖通空調(diào)系統(tǒng)故障的自動(dòng)定位和記錄。該功能可輔助決策過(guò)程，縮短決策時(shí)間，在復(fù)雜的暖通空調(diào)系統(tǒng)中快速尋找故障位置，在一定程度上避免擴(kuò)大故障范圍，提高檢修效率。當(dāng)異常報(bào)警窗口顯示異常原因?yàn)榕ǹ照{(diào)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，數(shù)據(jù)異常的末端位置已知，設(shè)施管理人員使用此功能可以快速獲得理論層面最有可能的故障方案的諸故障點(diǎn)信息，同時(shí)這些故障點(diǎn)模型被高亮顯示于視圖中，方便設(shè)施管理人員查看其具體的三維形態(tài)從而快速在現(xiàn)場(chǎng)中找到該設(shè)備或構(gòu)件。此外，設(shè)施管理人員完成故障維修工作后，可通過(guò)輸入工號(hào)和密碼在系統(tǒng)中鍵入維修信息將維修數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)庫(kù)建立電子維修檔案，實(shí)現(xiàn)檔案的自動(dòng)化管理。
(3)可視化與信息查詢。該功能輔助維修過(guò)程，加快信息獲取速度，提高維修效率。在發(fā)生維修事項(xiàng)之后、維修之前，維修人員往往要先知曉故障設(shè)備或構(gòu)件周圍環(huán)境以及規(guī)格、參數(shù)、生產(chǎn)廠家等信息，故而會(huì)翻閱大量不同專業(yè)圖紙和存儲(chǔ)資料，尋找所需信息。這一過(guò)程可通過(guò)可視化與信息查詢功能快速實(shí)現(xiàn)。該功能意在將圖元的幾何顯示和屬性信息結(jié)合起來(lái)，使維修人員可查看指定樓層房間布置及設(shè)備或構(gòu)件分布情況，以設(shè)備或構(gòu)件編號(hào)為主鍵調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)，快速檢索構(gòu)件相關(guān)信息，并以高亮顯示的方式直觀地呈現(xiàn)被查詢?cè)O(shè)備或構(gòu)件的模型及位置，高效完成維修前準(zhǔn)備工作;在對(duì)視圖進(jìn)行一系列顯示操作之后，還能夠快速還原至總體視圖，便于后續(xù)使用。BIM 模型與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接顯然已成為 BIM 發(fā)展的一大趨勢(shì)，尤其是對(duì)于信息量巨大的設(shè)施管理模型來(lái)說(shuō)，二者的結(jié)合不但能保持 BIM 的三維信息化優(yōu)勢(shì)，還有利于數(shù)據(jù)信息的日常維護(hù)。可視化方面的功能則是基于維修人員檢修過(guò)程中了解故障位置和周圍環(huán)境的日常需求，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)化操作流程，且使具體功能直觀化顯示在操作界面中。這意味著即使設(shè)施管理人員不具備軟件基礎(chǔ)也能憑簡(jiǎn)單的點(diǎn)選快速查看到指定樓層視圖，選中設(shè)備或構(gòu)件模型即可獲得該構(gòu)件編號(hào)，查詢相關(guān)信息。
2 管理系統(tǒng)的軟件工具選用
根據(jù)前文所述思路以及待實(shí)現(xiàn)功能，設(shè)施管理系統(tǒng)構(gòu)建工具需包括建模軟件、管理軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)，并選擇適合的語(yǔ)言在開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)插件。建模軟件應(yīng)能整合建筑全生命周期的信息，使信息與模型相互關(guān)聯(lián)，且能同管理平臺(tái)共享信息模型。依據(jù)價(jià)值工程理論，設(shè)施管理軟件選用應(yīng)考慮實(shí)現(xiàn)功能性和管理發(fā)生的交易成本兩個(gè)方面因素。設(shè)施管理 BIM 模型具有 3D 可視化功能，同時(shí)還應(yīng)支持二次開(kāi)發(fā)，使管理人員能按管理需求自主完善平臺(tái)功能以實(shí)現(xiàn)暖通空調(diào)系統(tǒng)的故障檢測(cè)和定位。開(kāi)發(fā)語(yǔ)言則依管理平臺(tái)選擇，開(kāi)發(fā)平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫(kù)能夠連接。交易成本則應(yīng)考慮軟件的通用性、操作方便、輕量化問(wèn)題。通用性帶來(lái)軟件購(gòu)置和使用培訓(xùn)費(fèi)用的降低，操作方便提高工作效率，減少誤操作。輕量化關(guān)乎模型文件容量較大，啟動(dòng)和運(yùn)行較慢，將影響工作效率。綜上所述，設(shè)施管理系統(tǒng)利用 Autodesk Revit 建立 BIM 模型;以 C#為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，Visual Studio 為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在 Autodesk Navisworks Manage 的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，作為設(shè)施管理平臺(tái)，結(jié)合溫度傳感器和 SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)施管理系統(tǒng)構(gòu)建，如圖 3 所示。
系統(tǒng)利用 Revit 建立 3D 模型，并為每一設(shè)備或構(gòu)件賦予參數(shù)信息，從而生成設(shè)施管理所需圖元數(shù)據(jù)庫(kù)，作為系統(tǒng)的信息模型基礎(chǔ)。目前建筑領(lǐng)域主要的 BIM 建模軟件有 Autodesk Revit、Graphisoft ArchiCAD、Bentley 系列軟件以及 Digital Project 等，其中 Autodesk Revit 的應(yīng)用最為廣泛[9]。Revit 可應(yīng)對(duì)參數(shù)化設(shè)計(jì)的要求，并導(dǎo)出為多個(gè)格式類型與相關(guān)軟件對(duì)接，如 CAD、DWF、IFC 格式等，還可將數(shù)據(jù)出到 ODBC、Excel、Access 等數(shù)據(jù)庫(kù)中;其突出的協(xié)同工作機(jī)制實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)協(xié)作，提高建模效率，符合本文需求。
選用 Autodesk Navisworks Manage(以下簡(jiǎn)稱 Navisworks)作為管理平臺(tái)。Navisworks 操作簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)不同三維軟件之間的三維數(shù)據(jù)交換，整合各個(gè)環(huán)節(jié)格式復(fù)雜多樣的數(shù)據(jù)和信息與 BIM 模型關(guān)聯(lián)并管理。Navisworks 通過(guò)優(yōu)化圖形顯示和算法，整合不同類型模型文件的同時(shí)進(jìn)行輕量化處理，使性能一般的計(jì)算機(jī)也可流暢地瀏覽和操作文件，降低了對(duì)計(jì)算機(jī)性能的要求。
3 實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù)
3.1 BIM 模型與圖元數(shù)據(jù)庫(kù)建立
在 Revit 建立 BIM 模型時(shí)定義設(shè)備或構(gòu)件編號(hào)，以此作為三維模型與數(shù)據(jù)庫(kù)間連接的紐帶。模型與圖元數(shù)據(jù)庫(kù)位于設(shè)施管理系統(tǒng)的信息層，是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。通過(guò)為每個(gè)設(shè)備或構(gòu)件按照“樓層 -房間號(hào)-系統(tǒng)編號(hào)-設(shè)備或構(gòu)件編號(hào)”的規(guī)則編碼， BIM 模型中的每個(gè)圖元都會(huì)具有唯一的標(biāo)識(shí)，它不僅能夠?yàn)樾畔⒌目焖俨樵兲峁┧饕瑸樵O(shè)施管理人員的管理工作提供了便利，同時(shí)也為建立暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備或構(gòu)件間的關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。
整合來(lái)自設(shè)計(jì)、施工及設(shè)施管理等參與方的信息，建立設(shè)施信息數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)中主要儲(chǔ)存如表 1 所述三類信息，他們通過(guò)構(gòu)件編碼建立聯(lián)系。信息查詢功能實(shí)際上是對(duì)上述三類信息進(jìn)行篩選、整理和調(diào)用，并與模型可視化的特點(diǎn)相結(jié)合，使被查詢?cè)O(shè)備高亮顯示，從而提高信息獲取速度和管理效率。
3.2 傳感器設(shè)置與數(shù)據(jù)顯示
在暖通空調(diào)系統(tǒng)末端端口位置設(shè)置溫度傳感器，獲取暖通空調(diào)系統(tǒng)末端端口表現(xiàn)值，并依此監(jiān)控暖通空調(diào)系統(tǒng)提供的服務(wù)質(zhì)量。在各房間安裝傳感器是智能化設(shè)施管理的重要途徑之一。雖然現(xiàn)實(shí)中可以選擇在每一設(shè)備或構(gòu)件位置都設(shè)置溫度傳感器，此時(shí)系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀況的全面監(jiān)控和故障的準(zhǔn)確定位，然而由于暖通空調(diào)系統(tǒng)涉及到的設(shè)備或構(gòu)件數(shù)量龐大，這種監(jiān)控方法會(huì)耗費(fèi)較大的成本，不經(jīng)濟(jì)，因此本文僅將傳感器放置在暖通空調(diào)系統(tǒng)末端端口位置。暖通空調(diào)系統(tǒng)末端端口構(gòu)件可視為傳感器的上游構(gòu)件，二者通過(guò)設(shè)置參數(shù)的方式綁定后，傳感器輸出的溫度即為與之綁定的端口位置提供的服務(wù)質(zhì)量。
為方便設(shè)施管理人員觀察各房間溫度狀況，需將各個(gè)房間及房間內(nèi)部暖通空調(diào)系統(tǒng)末端端口的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)以動(dòng)態(tài)圖形形式顯示。在這一過(guò)程中，Modbus-RTU 通訊協(xié)議作為將溫度傳感器與數(shù)據(jù)庫(kù)動(dòng)態(tài)鏈接的通道，使傳感器檢測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)源源不斷地傳送到數(shù)據(jù)庫(kù)中，生成并自動(dòng)更新溫度的時(shí)序數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)。而后，對(duì)海量的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行調(diào)用和二次加工，目的是提高溫度數(shù)據(jù)的可視化程度，使設(shè)施管理人員可以從圖形中更加直觀地觀察溫度的變化過(guò)程以監(jiān)控暖通空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。對(duì)于傳感器數(shù)據(jù)的傳輸頻率，設(shè)施管理人員可根據(jù)需要自行設(shè)置。此外，可通過(guò)修改數(shù)據(jù)更新時(shí)間間隔等方式，調(diào)整溫度數(shù)據(jù)的圖形顯示。
3.3 暖通空調(diào)系統(tǒng)異常報(bào)警機(jī)制
當(dāng)溫度數(shù)據(jù)異常時(shí)系統(tǒng)能夠自動(dòng)報(bào)警，顯示如圖 4 所示窗口。設(shè)施管理人員事先依室外溫度和經(jīng)驗(yàn)確定室內(nèi)房間的最佳溫度和溫度閾值，在實(shí)際管理過(guò)程中根據(jù)最佳溫度對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)溫度進(jìn)行設(shè)置和調(diào)節(jié)，使室內(nèi)房間溫度位于最佳溫度保持最佳水平。假設(shè)異常產(chǎn)生之前暖通空調(diào)系統(tǒng)使房間處于最佳溫度水平。當(dāng)數(shù)據(jù)顯示房間溫度值超過(guò)閾值時(shí)，則認(rèn)為異常發(fā)生，此時(shí)觸發(fā)自動(dòng)報(bào)警事件，窗口顯示異常原因、樓層位置、房間編號(hào)與緊急聯(lián)系人信息，同時(shí)異常位置在模型中高亮顯示。一般來(lái)說(shuō)，異常產(chǎn)生的原因有 3 種：傳感器出現(xiàn)故障、發(fā)生火災(zāi)和暖通空調(diào)系統(tǒng)故障。針對(duì)非暖通空調(diào)系統(tǒng)故障的情況，設(shè)施管理人員可直接依據(jù)報(bào)警位置采取相應(yīng)的措施，否則，設(shè)施管理人員則要進(jìn)一步確定暖通空調(diào)系統(tǒng)的故障位置。本文假設(shè) 3 種情況不會(huì)同時(shí)發(fā)生，即單一原因?qū)е聹囟犬惓！?/p>
本文來(lái)源于：《工程管理學(xué)報(bào)》是住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部主管、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和中國(guó)建筑業(yè)協(xié)會(huì)管理現(xiàn)代化專業(yè)委員會(huì)主辦的綜合類國(guó)家科技期刊。設(shè)建設(shè)經(jīng)濟(jì)與管理、房地產(chǎn)經(jīng)濟(jì)與管理、城鄉(xiāng)建設(shè)管理、企業(yè)戰(zhàn)略、項(xiàng)目管理、國(guó)際工程管理、招標(biāo)投標(biāo)、建設(shè)監(jiān)理、施工組織與管理、質(zhì)量管理、成本管理、安全與環(huán)保、合同管理、風(fēng)險(xiǎn)管理、人力資源管理、科技創(chuàng)新、信息管理等欄目。
在異常原因判斷過(guò)程中，若要通過(guò)傳感器溫度數(shù)據(jù)判斷暖通空調(diào)系統(tǒng)發(fā)生故障，必須先排除傳感器故障和火災(zāi)原因。首先，確定傳感器是否發(fā)生故障具有重要意義，因?yàn)樵趥鞲衅靼l(fā)生故障的情況下獲得的溫度數(shù)據(jù)是不可靠的，在該數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上做出的分析和決策也是不可靠的。另一方面，如若發(fā)生火災(zāi)，也會(huì)導(dǎo)致房間溫度異常升高從而超出閾值引發(fā)報(bào)警。因此本文對(duì)卡死、增益和偏差[10]三類易于發(fā)生的傳感器故障出現(xiàn)后的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行綜合和分析，參考 ISO 834 標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫函數(shù)以及空氣介質(zhì)下的熱傳導(dǎo)系數(shù)以及距離等因素推測(cè)火災(zāi)發(fā)生后的數(shù)據(jù)特征，運(yùn)用一階差分算子比較法[11]對(duì)異常原因進(jìn)行判斷：系統(tǒng)調(diào)用故障時(shí)點(diǎn)前一個(gè)與包括故障時(shí)點(diǎn)在內(nèi)的其后 6 個(gè)溫度數(shù)據(jù)，對(duì)兩相鄰時(shí)序數(shù)據(jù)施加一階差分運(yùn)算得出 6 個(gè)差分算子，利用條件語(yǔ)句判斷，假設(shè)當(dāng)有 4 個(gè)或 4 個(gè)以上差分算子數(shù)值大于 0.5 攝氏度時(shí)判斷異常由火災(zāi)引起;當(dāng) 6 個(gè)差分算子中有且只有一個(gè)數(shù)值大于閾值與最佳溫度的差值，其余數(shù)值小于 0.5 攝氏度且小于閾值與最佳溫度的差值，則判斷傳感器發(fā)生故障;否則判斷暖通空調(diào)系統(tǒng)發(fā)生故障。
3.4 暖通空調(diào)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)定義
暖通空調(diào)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖是暖通空調(diào)系統(tǒng)故障自動(dòng)定位功能的決策依據(jù)之一，它能夠清晰直觀地描述暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備或構(gòu)件間的邏輯關(guān)系和送風(fēng)路徑，通過(guò)設(shè)置設(shè)備或構(gòu)件間相互關(guān)系的參數(shù)來(lái)定義。
為了構(gòu)建暖通空調(diào)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，在建立 BIM 模型時(shí)將全部設(shè)備或構(gòu)件分為兩大類：一類為節(jié)點(diǎn)設(shè)備或構(gòu)件，送風(fēng)路徑會(huì)在該處匯聚或產(chǎn)生分支，如空調(diào)機(jī)組、暖通空調(diào)系統(tǒng)的交叉連接件等。特別的，暖通空調(diào)系統(tǒng)端口構(gòu)件也視為節(jié)點(diǎn)設(shè)備或構(gòu)件;另一類為非節(jié)點(diǎn)設(shè)備或構(gòu)件，它們朝著單一方向送風(fēng)不存在分支，如風(fēng)管、水平連接件等。兩類設(shè)備或構(gòu)件通過(guò)設(shè)置參數(shù)加以區(qū)分和關(guān)聯(lián)：節(jié)點(diǎn)設(shè)備或構(gòu)件設(shè)置描述節(jié)點(diǎn)間位置關(guān)系的下游節(jié)點(diǎn)參數(shù)，非節(jié)點(diǎn)設(shè)備或構(gòu)件設(shè)置從屬節(jié)點(diǎn)參數(shù)，描述其從屬的節(jié)點(diǎn)設(shè)備或構(gòu)件。由于暖通空調(diào)系統(tǒng)中存在著大量除主要大型設(shè)備外的輔助設(shè)備或構(gòu)件，且其中的非節(jié)點(diǎn)設(shè)備或構(gòu)件發(fā)生故障與下游節(jié)點(diǎn)設(shè)備或構(gòu)件發(fā)生故障無(wú)異，因此基于奧卡姆剃刀原理，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖中僅包含送風(fēng)路徑樞紐位置處和末端端口的設(shè)備或構(gòu)件，即節(jié)點(diǎn)構(gòu)件，非節(jié)點(diǎn)設(shè)備或構(gòu)件在圖中與下游節(jié)點(diǎn)抽象化為一點(diǎn)。本文在定義拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)選擇一空調(diào)機(jī)組作為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的根節(jié)點(diǎn)，樞紐位置的節(jié)點(diǎn)設(shè)備或構(gòu)件為中間節(jié)點(diǎn)，每個(gè)房間的暖通空調(diào)系統(tǒng)末端端口為葉節(jié)點(diǎn)。這一結(jié)構(gòu)中空調(diào)風(fēng)由根節(jié)點(diǎn)流向葉節(jié)點(diǎn)，且通向每個(gè)葉節(jié)點(diǎn)的路徑唯一。
3.5 暖通空調(diào)系統(tǒng)自動(dòng)化故障定位方案確定
最有可能的故障方案是以最小信息長(zhǎng)度理論為理論基礎(chǔ)，以暖通空調(diào)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖為決策依據(jù)，通過(guò)調(diào)用故障定位算法[12]對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析生成的。最小信息長(zhǎng)度理論認(rèn)為，對(duì)一組表現(xiàn)值的最優(yōu)解釋具有最簡(jiǎn)短的表現(xiàn)值描述長(zhǎng)度。而表現(xiàn)值描述長(zhǎng)度與暖通空調(diào)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和故障信息直接相關(guān)。
暖通空調(diào)系統(tǒng)故障時(shí)，構(gòu)件以故障狀態(tài)或無(wú)故障狀態(tài)運(yùn)行。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中存在兩種故障的影響模式：一種故障會(huì)影響到其所有下游節(jié)點(diǎn)，記該模式下的故障為 Fa;另一種故障產(chǎn)生只會(huì)影響到相鄰的下游葉節(jié)點(diǎn)，即暖通空調(diào)系統(tǒng)末端端口，該模式下的故障為 Fc。對(duì)于葉節(jié)點(diǎn)，由于其不存在下游節(jié)點(diǎn)，因此兩種影響模式是等效的。假設(shè)節(jié)點(diǎn)的默認(rèn)狀態(tài)為無(wú)故障狀態(tài)，記為 Fn。稱 Fa、Fc、Fn 為節(jié)點(diǎn)狀態(tài)標(biāo)簽。通過(guò)查詢歷史數(shù)據(jù)和咨詢有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)施管理人員，可以獲得暖通空調(diào)系統(tǒng)末端端口即葉節(jié)點(diǎn)表現(xiàn)值區(qū)間，且確定兩個(gè)概率密度函數(shù)輔助判斷節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，分別為葉節(jié)點(diǎn)不受故障影響時(shí)表現(xiàn)值的分布和葉節(jié)點(diǎn)直接或間接受故障影響時(shí)處于故障狀態(tài)和非故障狀態(tài)下的概率密度函數(shù)，后者對(duì) Fa 和 Fc 均適用。
假設(shè)故障間相互獨(dú)立，故障方案可在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上根據(jù)末端端口表現(xiàn)值倒推產(chǎn)生。故障定位算法讀取端口表現(xiàn)值后，從葉節(jié)點(diǎn)開(kāi)始遍歷全部節(jié)點(diǎn)，用概率密度函數(shù)計(jì)算各節(jié)點(diǎn)狀態(tài)下的信息并增加故障信息，依據(jù)最小信息長(zhǎng)度理論為每個(gè)節(jié)點(diǎn)選擇合適的節(jié)點(diǎn)狀態(tài)標(biāo)簽。在這一過(guò)程中，由于葉節(jié)點(diǎn)不存在下游節(jié)點(diǎn)可直接通過(guò)端口表現(xiàn)狀況作出判斷，而一般節(jié)點(diǎn)存在下游子節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，需要迭代算法才能夠作出判斷。當(dāng)一般節(jié)點(diǎn)被判斷為 Fa 時(shí)，其下游節(jié)點(diǎn)狀態(tài)將變?yōu)?Fn，使總的故障路徑信息長(zhǎng)度最短，從而確定故障發(fā)生概率最大的方案。
設(shè)施管理人員根據(jù)設(shè)施管理平臺(tái)窗口顯示結(jié)果到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)可能發(fā)生故障的設(shè)備或構(gòu)件逐一進(jìn)行故障排查，并在排查后作出反饋，告知系統(tǒng)該方案是否為真實(shí)故障發(fā)生路徑，若是則系統(tǒng)自動(dòng)記錄故障信息和故障發(fā)生的時(shí)間到數(shù)據(jù)庫(kù)中，若不是則表示雖然理論上該方案中設(shè)備或構(gòu)件發(fā)生故障的可能性最大，但實(shí)際并未發(fā)生故障，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)反饋的否定信息定義該方案中涉及的可能故障點(diǎn)為非故障設(shè)備或構(gòu)件，即將節(jié)點(diǎn)狀態(tài)標(biāo)簽改為 Fn，然后繼續(xù)調(diào)用算法尋找在此前提下最有可能的故障方案，直至找到真實(shí)故障點(diǎn)為止。
4 結(jié)語(yǔ)
本文從設(shè)施管理人員的角度出發(fā)，針對(duì)其日常需要和困難，以 Navisworks 為平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，建立融合了 BIM 與傳感技術(shù)的智能化運(yùn)維管理系統(tǒng)。系統(tǒng)提供 3 個(gè)模塊的服務(wù)，即暖通空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況監(jiān)控模塊、故障的自動(dòng)定位和記錄模塊、可視化與信息查詢模塊。設(shè)施管理人員通過(guò)操作系統(tǒng)的 3 個(gè)功能模塊，可提高暖通空調(diào)系統(tǒng)管理各個(gè)環(huán)節(jié)的工作效率，實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)和定位的自動(dòng)化、故障設(shè)備和構(gòu)件周圍環(huán)境的可視化、維修數(shù)據(jù)與模型的集成化，解決了在應(yīng)對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)故障時(shí)可視化程度不高、效率低的問(wèn)題，一定程度上避免了故障范圍擴(kuò)大的可能性，節(jié)約管理活動(dòng)投入的時(shí)間和成本，提高管理水平。該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)也為其他設(shè)施系統(tǒng)的自動(dòng)化管理提供了思路。
然而，系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)存在較多的前提假設(shè)，而現(xiàn)實(shí)環(huán)境往往面臨大量的不確定因素，不一定匹配假設(shè)條件，如系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量監(jiān)控還受風(fēng)速大小等因素影響，本文并未將其考慮在內(nèi)，故而該系統(tǒng)用于現(xiàn)實(shí)環(huán)境還具有一定的局限性。本文只能檢測(cè)暖通空調(diào)系統(tǒng)是否存在故障以及定位故障點(diǎn)，尚無(wú)法進(jìn)行故障診斷，即無(wú)法得知系統(tǒng)暖通空調(diào)系統(tǒng)故障的具體原因。另外，由于暖通空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)件數(shù)量繁多，在為其編碼和定義拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)設(shè)置參數(shù)的過(guò)程較為繁瑣，需要耗費(fèi)大量時(shí)間，如何高效完成參數(shù)定義、縮短前期準(zhǔn)備時(shí)間，還有待進(jìn)一步研究。——論文作者：董可新，遲安琦，高 平
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