低轨卫星信关站可视化运维关键技术研究

李 洪，刘化召

（1.中国铁塔股份有限公司，北京 100010；2.中通服软件科技有限公司，上海 200127）

0 引 言

地面信关站是为用户提供互联网接入服务的主要基础设施，也是运营商开展卫星网络运营管理的关键节点，主要承担卫星互联网馈电信号上下行传输、与地面信息通信网络互联互通以及网络管理等任务。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）具有可视化、参数化、协同性、模拟仿真等特点，能够对信关站的设计、分析、采购、施工和运维全过程进行管理[1-5]。

1 应用场景及需求分析

信关站设计及建设过程，相关设计参数、分析计算结果、设备信息、施工过程数据等需要以参数化数据库的方式，在上下游相关单位进行协同、流转，从而提高信关站建设及管理水平。

信关站科学、高效的运维管理，需要基于可视化技术的管理系统，集成运维管理体系，提供高效的监控管理手段，达到快速响应需求、预测性维护、设备决策分析等作用，从而保障信关站的正常、稳定运行。

基于BIM技术的信关站可视化运维，对于全网络工作状态性能管理、设备监测、故障切断、频谱监视、频率功率控制等，提供了更直观、集成度更高的管理平台，大大提升了信关站运维效率和自动化水平；形成了信关站资产的统一视图数据资源，支持集约化的信息管理、管理业务规划及资源调配[6-10]。

2 关键技术分析

信关站可视化运维，主要通过BIM技术来实现，通过BIM技术实现信关站各阶段数据、各网络设备参数、各运维业务数据等的集成管理及可视化展示，需要依托统一的可视化信息模型，满足浏览器和移动端访问的需要，信关站BIM模型的参数化、轻量化、模型信息数据库等技术成为关键点。

2.1 参数化模型

参数化几何描述可以将单个图元做到最极致的轻量化，避免了通过三角网顶点去构建一个三维对象所必须的大量坐标数据，能够很好地支持精确测量、布尔运算（流水段切割图元）等，处理过程如图1所示。

图1 参数化几何处理流程

2.2 模型轻量化

根据不同的应用场景、对模型精细度的不同要求，有针对性地对BIM中的每个部件设置不同的切割参数，从而减少三角网的数量，达到轻量化的目的。三角网轻量化的几何处理过程如图2所示。

图2 三角网轻量化几何处理流程

通过BIM轻量化引擎提取BIM文件模型信息，将轻量化后的几何数据、属性数据同步到应用服务器，作为轻量化模型展示的基础数据；轻量化后的几何数据通过WebGL进行重构展示。

轻量化模型具备以下能力：

（1）模型轻量化：能够通过浏览器、移动端展示。

（2）模型叠加：能将多个轻量化模型叠加展示。

（3）模型放大、缩小、旋转：能够对轻量化后的模型进行放大、缩小、旋转查看。

（4）多角度查看：能够通过指南针调整显示角度。

（5）构件高亮显示：能够高亮显示所选中的构件。

（6）构件颜色设置：能够自定义设置构件颜色。

（7）构件展示设置：能够设置构件透明、取消透明、隐藏、取消隐藏。

（8）模型剖切：能够沿X、Y、Z、自定义轴对模型剖切并进行展示。

2.3 模型库管理

信关站的不同建设及应用管理特点，将会形成多种轻量化模型信息。为了减少相同类型模型存储空间，为相关模型建立关联关系，提高模型利用效率，需要建立统一模型库，支撑信关站统一可视化运维。

模型库的管理，采用模型与属性分离策略，实现几何模型的复用、属性的灵活适配。将不同模型按照类型、型号统一编码；根据应用场景，对不同模型属性按照应用信息建立关联关系。通过这些方式，形成统一、灵活、满足各种应用的轻量化模型库，在模型展示时，快速定位到所关联的属性信息[10-15]。

3 基于BIM的信关站运维系统分析与设计

系统引入BIM轻量化引擎，对信关站设计模型（RVT文件）进行轻量化处理，实现轻量化模型展示能力，包括模型浏览（放大、缩小、旋转、构件透明、构件隐藏、模型局部展示以及模型剖切）、模型三维视图、二维导航等功能。同时系统根据信关站运维需要，在BIM轻量化模型基础上，构建适用于运维的3D信息模型，实现设备资源、网络容量、站房温湿度、设备告警等信息管理。

3.1 支撑应用视图

软件应用架构如图3所示。

图3 软件应用架构

3.2 技术架构设计

整个应用架构采用数据采集与应用分离的思路实现。数据平台实现数据采集、数据存储、数据处理、数据分析等功能；并通过数据集市对外提供数据应用程序界面（Application Programming Interface，API），供各类专题构建分析应用。充分体现软件分层、软件重用、数据抽象服务等设计思想。

系统基于分层解耦体系，形成平台独立、架构松耦合、分布式、多层组件的系统架构，充分保证了系统的可伸缩性、可扩展性、可靠性和动态性。

具体技术架构如图4所示。

图4 软件技术架构

（1）数据采集。通过Ansible、Zabbix、采集程序等方式实现对网络设备、服务器、安全设备、存储设备、虚机等设备的性能采集。

（2）数据存储。数据存储分为数据库存储、文件存储，满足基础数据、流量数据、性能数据等存储的需要。

（3）业务功能。满足信关站基础设施管理维护；实现网络设备、服务器、站房设备等性能展示、告警监控；满足信关站网络业务开通、设备运维的需要。

（4）访问方式。提供业务平台、门户、App等多种方式，满足用户不同维度的需要。

3.3 系统应用分析场景

通过BIM轻量化技术，对信关站BIM模型进行轻量化展示，实现信关站BIM模型中的资产展示、容量展示、管线展示、动环监控、告警定位以及巡检展示等。

3.3.1 资产展示

场景描述：通过信关站设备资产、网络拓扑、资源关联关系等的可视化、层次化展示，通过BIM轻量化模型，充分掌握信关站的各类型资产信息，并能正常还原展示BIM模型中的资产信息，通过鼠标点击实现站层、设备位置、设备、设备构件、设备关联的分级直接浏览，同时可快速搜索、定位目标设备。单击任何一个资产设备查看该设备的资产情况：设备信息、安装应用信息、归属信息、运维信息等内容。

3.3.2 容量分析

场景描述：信关站的设备、网络、耗电等信息通过二维表格描述难以数字化管理与分析，无法很好地支撑信关站内资源的扩容需求，通过三维容量分析，使信关站管理人员能够一目了然地查看到当前站内设备、网络或电力的使用情况。系统通过树形数据呈现和三维场景展现两种方式同时表现信关站容量整体使用情况，实现资源容量可用性动态统计，包括站内空间U位可用性、用电量分布和设备承重分布情况统计，对于已用容量和可用容量进行精确统计和展现，更加有效地管理信关站的容量资源，使得各类资源的负荷更加均衡，使运维人员可以实现更细颗粒度、更高关联度的容量管理，更加清晰地掌握当前的容量情况。

3.3.3 管路配线

场景描述：信关站内管线复杂，一方面管线种类多，包括电力、网络、排水等；另一方面管线走势复杂，各种管线存在交叠，甚至存在管线跨楼层的情况，运维人员难以整体感知管线情况。通过管线的三维展示，同时借助于模型的虚化技术，能够展示站内所关心的管线信息。通过自管理、集成其他配置管理数据库（Configuration Management Database，CMDB）等，将机柜内设备的连接信息纳入到BIM平台，通过端口可以查找到相关的链路信息，通过链路也可以查找到相关设备端口信息，支持链路配置可视化。基于不同模型的属性、不同的关联关系，对所查看管线及其关联设备高亮显示，其余设备虚化，帮助运维任务快速感知管线情况，提高运维效率。

3.3.4 动环监控

场景描述：动环信息采集专业性较强，往往由专业系统采集，但是要有效地降低能耗，动环信息必须是相结合的。通过信关站的BIM轻量化三维可视化管理，实现动环数据的空间分布，能够直观地反映动力与环境的相互作用。动环监控可视化通过与各个子系统实现数据连接和交互，包括供配电柜、UPS、精密空调、漏水检测、温湿度、烟感、红外探测、摄像头、门禁等实现设备数据集成化，同时结合各监控点的空间位置信息，实现动环信息立体化呈现，为降低能耗提供有效精准的数据支撑。

3.3.5 告警定位

场景描述：站内设备告警信息的处理通常需要人工参与，传统系统通过列表方式提供的告警信息使运维人员难以及时定位问题发生位置；通过BIM轻量化三维运维系统建设，能够将告警及其实体信息反应到真实的信关站空间场景中，提高运维任务故障定位速度。运维人员通过系统能够直观地看到告警发生位置、告警内容；能够及时地采取相应措施到现场进行维护。

3.3.6 可视化巡检

场景描述：传统人工巡检的考核比较困难，针对巡检时间、巡检路线往往通过签到的方式进行上报，难以真实反映人员巡检情况。通过BIM三维可视化运维系统建设，能够模拟人员历史巡检路线、查看巡检时间，降低运维人员管理难度；能够借助摄像头、传感器等工具，获取巡检人员坐标信息、巡视点视频画面。通过时间、坐标点、BIM模型之间的结合，实现对运维人员的巡检路线回放，巡检点的视频查看。能够有效提升巡检人员的工作质量，增强任务考核的便捷性。

4 结 论

信关站应用规模的不断扩大，设备资产种类繁杂，设备数量庞大，通过BIM技术构建轻量化三维模型库，对设计模型、计算模型、运维信息等进行集成管理，有利于业主方对所有信关站模型及相关信息进行数字化管理。

系统围绕便捷化、可视化、自动化、智能化，通过构建的基于BIM的可视化运维系统，对主要场景进行实现，构建了优质的运营维护支撑体系，解决了当前信关站普遍存在的资源利用情况分析难、运维成本快速增加、资源管理日益复杂、以及服务多样性等问题，提高了信关站运行管理效率，实现运维智能化，助力信关站向规模化、集中化、智能化方向发展，取得了良好的经济效益与社会效益。

结合信关站空间、网络、IT及安全管理的实践，技术上需要不断深入研究，重点包括BIM+地理信息系统融合、服务器集群并发处理能力、面向运维管理提供的模拟仿真、增强现实应用等方面。