国家图书馆机电设备智慧化管理平台建设研究_李研.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering752021 年 3 月，新华社印发了中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要，提出要加快数字化发展、建设数字中国。倡导以数字化转型整体驱动生产方式、生活方式和治理方式的变革，推进线上和线下公共服务共同发展、深度融合，积极发展在线课堂、互联网医院、智慧图书馆等1。智慧图书馆是传统图书馆从业务流程、资源建设、服务模式和后勤运维等诸多方面相互协作的整体变革。就后勤运维而言，图书馆机电设备高效集成、智慧管理能准确地掌握设施设备信息，保障系统安全且高效运行，降低运维成本，延长设备使用寿命，节约能源，提高管理效率。1 研究现状述评由于 BIM 技术能够应用于建筑全生命周期，其在建筑设计、施工环节应用较为广泛，在建筑的运维环节应用正在逐步发展中。PISHDAD-BOZORGI 等人2讨论 BIM 技术在设备管理中的理论应用，提出了设备管理中应用 BIM 的未来研究模式。TANG 等人3指出BIM 及物联网集成为应用程序提供了强大的范例，提高建筑运营和管理效率。HOSSAN 等人4提出将 BIM 技术应用在已建成的建筑设备管理中，利于设备运营、维护、保养和维修。CHEN 等人5将 BIM 技术应用于设备维护工作，提出一种基于 BIM 的框架，能够自动生成维护工单，提高工作效率，降低设备维护管理的成本。上海图书馆东馆以建筑 BIM 模型为基础建设了机电设备管理软件并已实施应用。综上，将 BIM 技术应用于机电设备管理平台建设中已取得一定的研究成果但仍处于探索阶段，有极大发展空间。2 国家图书馆机电设备系统概况 图书馆机电设备系统庞大、逻辑结构复杂。就大系统而言，其可以由三个相互独立的子系统组成，包括电气系统、给排水系统和暖通空调系统。2.1 机电设备的特点2.1.1 组成的复杂性电气系统、给排水系统和暖通空调三套系统涉及到制冷系统、中央空调系统、供热系统、给排水系统、变配电系统、照明系统、通风系统、消防系统、安防系统、监控系统、电梯系统、综合布线系统、通讯系统、室内环境监控系统、室外管网系统等。每个子系统分别有位置隐蔽且关系错综复杂的管道或线路。管道系统、设备系统、检测系统等交互影响，相互联系。2.1.2 结构的复杂性结构的复杂性主要体现在以下三方面：（1）机电设备系统通常呈分层分布式结构，每个组成系统的功能实现和信息处理具有并行性。（2）机电设备的组成系统通常由功能各异的单元组成。（3）机电设备各组成子系统的故障及控制信息之间存在或强或弱的关联性。某子系统出现的故障有可能是因为与其相关联的其它的子系统或零部件发生了故障引起的，而某子系统的故障进而会导致其余多个子系统或零部件出现故障。2.1.3 状态的复杂性国家图书馆机电设备智慧化管理平台建设研究李研（国家图书馆 北京市 100081）摘要：本文根据“集中管理、分散控制”的原则，建设了机电设备智慧化管理平台，将馆区分散的子系统进行集成，统一管理，实现数据整合，综合分析，提高设备管理效率，降低能耗。关键词：国家图书馆；机电设备；电气系统；管理平台电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering76机电设备根据工况差异有不同的工作模式，直接影响建筑的性能，而且不同工况下设备的运行模式差异较大，例如：恒温恒湿机组存在制冷、制热、除湿、通风、节能及自动六种运行模式，每种模式下机组的运行规律也会随之发生变化。2.2 机电设备的管理现状及存在问题目前，机电设备运行维护主要依靠人工操作。设计、施工、安装及维护等环节分散，信息集成度不高，流转过程冗长，不利于机电设备的精细化、规范化管理。就信息管理而言，设备运行维护信息的记录主要靠人工手动书写或输入，工作量较大；当设备故障时需查询相对应图纸和维修手册等资料，海量数据难以精准查询，导致效率低且准确性不高；就运行管理而言，各子系统的责任部门不同，管理相对独立，设备本身集成度不高，无法联动，进而导致运行管理中存在大量重复性工作，效率较低，耗费大量时间和人力资源。2.3 机电设备管理发展方向为了解决上述机电设备管理存在的问题，借助“数字化转型”新业态下技术的发展，图书馆机电设备管理方式面临变革。（1）需要明确图书馆机电设备智慧化管理的总体需求，应需治策，统一工作流程，精简冗余工作量；其次，收集设备的基础数据，实现信息的无损传递和充分共享，整合分析数据资料，实现海量数据的信息整合、快速查询。（2）建设平台，将馆区分散的监控子系统进行集成统一管理。（3）根据平台运行数据进行分析反馈并优化，研究机电设备智慧化管理的工作模式和业务流程，提高设备管理效率。3 管理平台监控子系统建设暖通空调系统中多数设备已采用霍尼韦尔公司的楼宇自控软件实现智能化控制，通过 OPC 接口形式接入管理平台。以下分别针对电气系统、给排水系统的监控子系统建设进行详述。3.1 电气系统针对馆区部分区域建设电力监控系统，监控电能数据及异常情况，实现快速预警响应机制，预防电气系统故障产生，减少电力重大伤害事件发生。3.1.1 电力参数采集低压及各分区配电间内低压开关柜和配电柜上安装有数字式电量仪，经通讯管理机接入局域网，实现电压、电流、频率、电能等数据的上传。高压配电间内高压开关柜安装有数字式电量仪，经通讯管理机接入局域网，除常规电力参数外，还可实现配电控制母线电压、浮充电压、充电电流、故障信号等数据上传。高、低压配电开关柜分别从断路器下口引出 220V交流电，通过 DAM 开关状态监测模块转为 RS485 信号输出至通讯管理机，经通讯管理机接入局域网，监测分、合闸状态。电力监控主站各低压和分闸口加装无线测温传感器，通过数据采集主机接至通讯管理机，经通讯管理机接入局域网，实现监控设备温度。3.1.2 变压器运行监测电力监控主站设置相互独立干式变压器 6 座。在各变压器内安装温度传感器，通过通讯管理机接入局域网，上传温度数据；变压器间安装 1 台排风风机，隔间安装2 台排风风机，用于变压器冷却。风机出风口安装压差开关，实现冷却风机状态的监测。电力监控主站设有直流屏控制柜 6 座，各自增设直流屏服务器，通过 RVS-21.0 线缆，串联形式接成 485总线，依托通讯管理机接入局域网，实现控制母线电压、浮充电压、充电电流、故障信号等参数的上传。根据采集的电力数据基础上，针对电表、记录期限进行筛选、统计，进行数据分析，辅助决策。3.2 给排水系统通过对馆区市政给水管网各管段流量及水压的实时监测，准确掌握用水规模、及时发现管道上的泄漏隐患，找出环网渗漏点予以修复或及时发现不合理用水予以改电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering77进，为节水策略的制定提供依据。3.2.1 管段流量和流速数据采集国家图书馆在各楼室外给水入户管段分别安装一只远传智能水表，实时采集通过该管段的水流量。在馆区给水主管道入口及环网安装超声波流量计，监测管道水流量。远传智能水表和超声波流量计都支持 RS-485 通信，采用 RVVSP21.0 线缆，以串联形式将各流量计接入 485 总线，就近接至通讯采集模块箱，将 485 通信转化成 TCP/IP，实现管段流量数据的上传。3.2.2 管段压力采集馆区给水环网及各楼栋入户水管上安装压力传感器，实时采集该管段的压力，便于及时排除泄漏隐患。压力传感器支持 RS-485 通信，采用 RVVSP21.0 线缆，以串联形式将各压力传感器接入 485 总线，就近接至采集器模块箱里，通过网络控制器将 485 通信转化成TCP/IP，实现管段压力数据的上传。3.3 系统网络架构电气和给排水系统远程监控系统的网络架构均采用分层分布式三层结构，整体设计采用浏览器/服务器（B/S）与客户机/服务器（C/S）两种主体构架。通过馆内局域网络，实现数据的上传、命令的下发。系统软件为 B/S 架构，运行、管理和决策人员不受地域时间限制，通过浏览器登录，方便快捷实时的了解设备基础数据、运行参数，并可进行多维度对比分析和超标预警等，深层挖掘有价值的数据，为决策分析、优化调度和内部考核等管理措施的制定提供数据支持。3.3.1 设备终端层设备网络层完成末端设备控制和现场仪表的信息采集和处理，如：智能电、水表等。这些设备可独立完成数据自动采集和信息远传功能。3.3.2 网络通讯层网络通讯层是指完成系统通讯所涉及的底层通讯链路（如 RS485）通讯转换设备（如通讯管理机、数据采集器）以及顶层通讯链路（如 TCP/IP 网络）等的总称。网络通讯层是连接设备层和管理层的重要纽带，其能保证数据的有效传送和数据不丢失。3.3.3 系统管理层系统管理层进行平台数据的汇总、统计、对比、分析并直观展现相关数据及其变化趋势等，并能进行多维度对比分析。据此，辅助制定考核、管理制度，辅助决策。图 1：系统组建示意图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering784 平台建设中存在问题分析平台建设过程涵盖机电设备智能化改造、设备运行数据传输和数据整合分析等诸多环节。重点针对以下两个方面进行分析。4.1 网络架构方式现有机电设备的监控系统多采用通讯转换设备将设备采集端的底层数据转换为 TCP/IP 网络信号进行数据传递。因而，网络信号的安全及稳定性决定了平台的运行状态。由于平台多建设于建筑建设后期，所以数据传递一般依赖于建筑本身已有网络较多，此举也是较为节省造价的方法，但是一定程度上存在网络稳定性及数据安全性的隐患。单独组网是指独立敷设光纤建立局域网，将机电设备采集端的数据通过自建网络传递，此方式安全性高，但是造价昂贵且存在一定施工难度。因而，针对不同项目可根据安全性、稳定性、造价及施工工艺等多方面因素进行综合考虑后决策。4.2 拓展性研究平台可以从三个维度进行拓展与延伸。在广度上，可通过接口对接等方式将其它未纳入的机电设备、安防系统设备及消防系统设备等并入软件平台统一运维和调度；在深度上，可以继续延伸，例如目前建设的南区电力监控系统的监控范围只涵盖建筑总配电室到各楼栋的分区配电室，可继续延伸至各楼层的配电箱，将末端设备纳入管理平台；在地理上，可将异地场馆的机电设备信息并入平台，实现“一个平台，多个场所”机电设备远程运行维护管理和统一调度，减少人力重复投入。5 结语馆区各设备系统的设备和运行原理均不同，其远程监控系统建设方法和实施方式存在差异。由于系统集成需求，每个系统网络宜采用同一种通信协议，当采用两种及以上通信协议时，应配置网关或通信协议转换设备，并应保证各项数据传输的安全、可靠和及时性。机电设备智慧化管理平台建设过程既是对设施设备原有运行和维护模式的革新，又面临着与原有管理模式的融合。根据平台应用反馈信息对其进行优化，最大限度发挥其作用，以期能显著提高机电设备的管理水平，优化并完善机电设备管理制度，探索机电设备智慧化管理的工作模式。发展智慧图书馆是“十四五”时期推动国家图书馆和全国公共图书馆事业高质量转型创新的重要抓手。设备设施的运行维护阶段是建筑全生命期中时间中最长的阶段，建筑结构设施和设备设施均需不断维护，设备复杂且更换维修需求多，功能强大的机电设备管理平台将有助于提高建筑物设备性能，降低建筑能耗，助力运维。参考文献1 新华社.中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要 EB/OL.（2021）http:/ PISHDAD-BOZORGI P,GAO X H,EASTMAN C,etal.Planning and