1、场馆多种类设备设施监测系统方案研究罗进 张威一、 前言自国家体育总局提出“科技兴体”战略以来，我国高度重视冬奥会科技服务工作的开展。早在2009年，国家体育总局冬季运动管理中心就开始牵头，开展实施国家科技支撑计划项目。此次课题研究总共设立7个子课题，分别由北京北控京奥建设有限公司、北京北控智慧城市科技发展有限公司、北京工业大学等部门承担，参与研究的子课题承担单位共计12个。课题紧紧围绕我国冬奥备战、冬奥会的目标和任务，冬奥项目的制胜规律等关键问题展开，特别是制约我国冬奥项目发展的瓶颈问题，进行系统、深入、创新性的研究。该项目的组织实施，充分调动了我国体育科研人员的积极性，为冬季项目科学研究提供
2、了广阔的舞台，有效的提升了我国冬季项目科研服务水平。本项目采用多种传感技术及数据传输方式，采集体育馆内多类别的设备设施数据，结合BIM模型，实现场馆设备设施动态可视化展示和管理。本文提供一套技术方案，通过研究多种传感器及数据传输方案，结合场馆GIS/BIM模型数据，构建覆盖场馆各类设备设施运行状况的监测系统。实现精准采集不同季节运行的设备设施运行数据，实现各种设备设施复杂状态可视化，为场馆运营提供可靠的数据依据。二、关键技术研究（一）技术方案目前对于体育馆及大型楼宇的监控，较多的使用 BAS（Building Automation System，楼宇自动化系统）监测和定位设备。虽然 BAS 系
3、统能够监控冷水机组、空调机组等大型设备的运行状况，这些设备发生故障时系统会自动报警，然而 BAS 系统在实际操作中带来的便利程度并不高。另一方面 BAS 系统信息集成化程度低，一些设备和构件的属性信息，如故障地点周边环境，散布在各种文件中。当故障发生后，检修人员或凭对系统熟悉记忆或查阅设施档案资料，才能确定故障点位置、获取故障设备信息，这一过程比较耗费时间，并很容易受过时信息的影响。依据BAS 系统，利益相关人在对故障分析、决策和实施过程中的沟通交流质量和效率不高。参考智能工厂中广泛采用的现场总线技术，尤其以我国广泛使用的LonWorks总线技术为准。Lonworks（LocalOperati
4、ngNetwork，局部操作网络）是一个开放的、全分布式监控系统专用网络平台技术，以其独特的特点已成为目前所有现有的现场总线网络功能最为强大，市场效率最高的总线之一。它使用了具有分布控制与通信联网功能的大规模集成的神经元芯片（neuronchips）构成各个智能监控节点（node），通过网络收发器（TranReceiver）及网络通信媒体将各节点构成全分布式局部操作网络（简称LON网）。但Lonworks技术成本普遍偏高，不利于大范围的体育场馆布设。针对以上情况，本文提出了一种融合Lonworks现场总线、RS485网络技术、NB-IoT技术等多种工控技术的系统监测方案。该方案采用分层逐级管理
5、的机制，底层采用扁平式RS485拓扑结构的网络架构、NB-IoT网络架构、部分设备总控接口传输的方式。中间层采用Lonworks现场总线对各种网络进行组网，最终由中央监控主机负责整个监控系统的数据处理及可视化展示。其原理如图 1所示。（二） Lonworks神经元节点结构Lonworks的核心技术是具有3个8位的CPU神经元芯片（Neuron Chip），同时具备通信与控制功能，并且固化了Lontalk协议，以及34种常见的I/O控制对象。它采用了ISO/OSI模型中完整的七层通信协议，采用了面向对象的设计方法，Lonworks技术将其称之为“网络变量”，使网络通信的设计简化成为参数设置。这样
6、，不但节省了大量的设计工作量，同时增加了通信的可靠性。如图 2所示。（三）RS485协议设备与Lonworks总线连接方法RS485转换模块由3个部分组成，包括由Lon网数据采集收发模块、Lon网协议和RS485协议转换模块和以RS485通讯模块结构框图如图3所示。协议转换模块是整个系统的核心，其不仅包括网络协议转换功能，而且完成系统其它显示传输功能。该模块的主控芯片为海思公司生产，基于国际先进的LonWorks控制网络技术，组网灵活、扩展方便、互操作性好；提供LonWorks双绞线多种收发器接口类型，通讯速率为78kbps；1路光电隔离的串口通讯RS485接口，可在线编程；LonWorks双
7、绞线接口采用Neuron FT5000芯片，支持多达254个网络变量；AC220V供电，具有过电压保护功能，可选DC24V供电 ；LonWorks网络通讯协议为LonTalk协议；RS485通讯协议为ModBus RTU协议或其它自定义协议；通过LonWorks访问MODBUS设备 ；通过 MODBUS访问LonWorks设备 ；作为LonWorks总线主站时，海思首创的自绑定技术，可与LonWorks总线上的节点设备自动绑定LonWorks网络变量，无需调试人员复杂的手动绑定作业；实时时钟，掉电存储，铁电可擦写45亿次；采用多种抗干扰技术，在强电磁干扰环境中可稳定、可靠地工作。（四）NB-I
8、oT设备与Lonworks总线连接方法图 1 设备设施监测原理图圖 2 神经元节点的结构框图图 3 硬件系统结构图针对于缆车、造雪设备等大型或者移動型设备不便于监测和布设普通传感器的设备，我们采用NB-IoT技术，利用其覆盖能力强、功耗低、适用范围广、成本低廉、可直接利用普通3G、4G基站即可通信的优势，将此类设备采集的设备信息最终保存至宽带互联网下，使其可以方便的接入Lonworks网络中。信息采集后便是接入Lonworks的方式，针对此次方案中我们同样设计了协议转换芯片，使其可以方便的受控于Lonworks网路。硬件结构如图4。同样协议转换模块也是整个系统的核心，包括网络协议转换功能，可以
9、完成系统其它显示传输功能。该模块的主控芯片为NXP公司生产的LPC17 78，其片上资源包括512 Kb的FLASH存储器、高达64 Kb的SRAM，系统时钟频率可高达 120 MHz，同时可内嵌操作系统。LPC1778内置外部总线控制器，通过总线方式读写双口RAM，从而完成与数据采集收发模块的高速数据交换。另外，嵌入式WEB服务器的架构需要大容量的存储器，片上资源已不能够满足现有的需要，因此外部扩展一片16 Mb的FLASH SST25VF016B。图 4 硬件系统结构图三、系统方案设计（一） 总体设计场馆多种类设备设施监测功能结构分为设备信息档案建立、设备运行数据监测、数据融合、及可视化展
10、示几部分。其功能结构如图 5所示。设备档案信息部分，是将监测设备的基本硬件参数录入到三维模型中，包括设备型号、参数、位置信息、图片等内容。设备运行数据的收集即为本文的几个关键技术点。通过各类传感器将设备参数分别通过RS485、NB-IoT、接口等多种方式进行采集传输，经过不同的协议转换过程，汇集到Lonworks网络中，最终发送服务器进行统一处理。图 6 数据接入拓扑图数据融合部分是将采集到设备运行参数进行整理或转换，以形成统一格式，方便的与三维BIM模型进行融合，以便实现可视化管理。信息融合采用标准的IFC数据标准，每个软件都能导入、导出这种格式的工程数据。IFC标准整体的信息描述分为四个层
11、次， 从下往上分别为资源层、核心层、共享层、领域层。每个层次又包含若干模块， 相关工程信息集中在一个模块里描述。从技术方法上分， IFC信息获取可以有两种手段，我们主要采用标准格式的程序接口访问信息。可视化展示部分是该系统应用的最终展示，在BIM模型中查看设备运行情况，实现智能管理，主要功能模块有设备日常监测数据查看、设备报警信息、设备保养信息维护等。（二） 数据接入层设计通过不同的数据采集方式，最终将所有设备的参数收集至Lonworks下的神经元节点，神经元节点利用固化的LonTalk通信协议进行节点或总线间的数据传输，Lonworks总线通过专用路由器交换机最终将设备数据采集至服务器或中央
12、监控主机，对数据进行统一的处理与融合。如图 6所示。（三） 可视化展示功能此部分为系统的最终展示模块，主要功能有设备日常监测数据查看、设备报警信息、设备保养信息维护等。四、结语通过整合现有的各类传感技术，本文提出了一种利用多传感技术监测传输设备运行参数，通过协议转换统一管理收集设备参数的方法。结合雪场GIS/BIM，可以实现对冬奥场馆内的设备设施运行参数进行全天候、全方位、多角度、多维度地连续实时精准监测，并在三维BIM场景中进行仿真效果渲染，将传感数据与建筑信息模型、地理信息模型的时空融合处理与计算方法，实现各种设备设施复杂状态的可视化。作者单位：北京北控京奥建设有限公司基金项目：国家重点研发计划科技冬奥专项“复杂山地条件下冬奥雪上场馆设计建造运维关键技术”编号：2018YFF0300300
