目前，建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技术已广泛应用于设计和施工阶段，而在运行与维护（简称：运维）管理中的应用还处于探索阶段，相关专家一致认为[1-2]，BIM技术在运维管理中的应用具有很大潜力，尤其是对于运维管理的安全性和节能降耗具有积极意义[3]。中国铁路主数据中心（简称：主数据中心）作为业务运行和数据存储的重要载体，其自身的可靠性已成为影响企业、行业等持续运行的重要因素[4]。主数据中心在设计、施工中广泛应用了BIM技术。BIM技术的可视化等特点对数据中心故障诊断、隐蔽工程维修等具有重要意义，因此，将BIM技术应用到数据中心的运维管理中是必然趋势。
1 主数据中心运维现状及需求
1.1 运维现状分析
主数据中心包含数据中心基础设施管理（DCIM，Data Center Infrastructure Management）系统、楼宇自控系统（BAS，Building Automation System）、火灾自动报警系统（FAS，Fire Alarm System）等信息系统。利用这些系统，运维人员通过全面监控、定期巡检、定期保养等方式维护主数据中心基础设施，保障其安全稳定运行。上述运维管理方式主要存在的问题是：
（1）缺乏全局观的运维管理模式，各专业系统独立采集、管理数据，系统之间无法联动；
（2）运维场景缺乏直观性和交互性，现有的二维和准三维软件系统难以支持实际运维场景下的设备快速、精准定位，在有应急演练、培训、汇报等情况 时，对外宣传和展示的效果不佳；
（3）信息挖掘缺乏全面性，需要依靠人力将大量的逻辑图形或者文字信息与物理世界建立关联关系，影响整体运维管理的效率。
1.2 运维需求分析
从宏观来看，数据中心行业整体处于快速发展和规模扩张期，数据中心的运维管理亟需跟上时代发展和规模扩张的步伐；从微观来看，因前期发展程度和各种投入等不同，导致不同行业和单位在数据中心运维方面水平参差不齐，因此，完全脱离传统运维管理模式仍然存在许多需要研究和突破的环节。为了探索主数据中心运维管理模式，针对主数据中心面临的运维需求和问题，本文结合主数据中心工程设计及竣工的BIM数据，设计支撑运维团队从传统运维模式向智能运维转型的基于BIM的大型数据中心运维管理原型系统（简称：原型系统），提高运维效率和运维质量。
2 原型系统设计
2.1 技术路线
为满足主数据中心运维管理中的上述需求，原型系统按照如表1所示的技术路线进行设计。原型系统需要统一的数据管理平台实现BIM数据与物联网（IoT，Internet of Things）数据的交互与联动，从而有效支撑运维管理方面的业务。
2.2 原型系统架构
结合原型系统的技术路线规划及实际运维管理需求，设计原型系统的架构，如图1所示。
2.2.1 数据生产层
数据生产层中包含三维模型数据（如revit模型和IFC模型等）、二维图纸数据（如CAD图和Visio图等）、文档数据（如PDF文件和Word文件等）和设备动态实时数据（如IoT数据等）。其中，三维模型数据是主数据中心BIM数据，包含建筑的模型、材质、设备设施的属性、关联关系及空间信息等；二维图纸数据包含主数据中心各专业竣工图及机电专业的逻辑图；文档数据包含设计、施工与运维阶段产生的各类文档；设备动态实时数据即设备在运行过程中，由传感器及采集器采集到的数据。
2.2.2 数据服务层
数据服务层包含数字建筑物平台、数字智能化应用及业务系统动态数据引擎。为确保数据服务层对大量多源异构数据的存储、管理及处理能力，原型系统选择数字建筑物平台作为统一的数据管理平台，实现多种数据服务。数字建筑物平台采用智慧空间领域中成熟的软件即服务（SaaS，Software-as-aService）产品—数字孪生平台，该平台能够提供快速开发工具，实现快捷的二次开发。数字孪生平台[5]基于Hadoop实现，在分布式环境中解决非结构化数据存储和管理，NoSQL数据库和关系数据库管理结构化数据，从而实现对三维数据和二维数据存储和管理，解决三维图形的数据存储格式繁多、单组件数据量较小而整个图形数据量较大、多专业数据难以集中存储等问题。业务系统动态数据库引擎采用的是主数据中心DCIM系统数据库引擎，DCIM系统拥有大量设备设施的实时状态数据，利用DCIM系统开放的接口，原型系统就能获取到设备相关数据。数字智能化应用则是基于数字建筑物平台，结合运 维阶段的BIM数据与运维人员需求，实现了园区概览、资产管理、消防演练和能耗管理4项功能。
2.2.3 终端访问层
在终端访问层，原型系统同时支持多类型终端访问，不再局限于设备的性能，显着提升了运维人员的工作效率。
3 关键技术
原型系统在数字建筑物平台的基础上进行了针对性开发，初步实现了将 BIM与IoT技术应用于大型数据中心运维管理，其采用的关键技术如下。
3.1 运维阶段BIM数据标准与IoT数据接入
建筑工程全生命周期管理是指在建筑项目的全生命周期中，各个阶段通过信息共建共享和系统集成等方式，实现高效完成项目计划、提升建筑质量等目标[6]。而在大型或超大型数据中心的运维管理阶段，由于竣工BIM数据缺少运维管理方面的信息[7]，无法为运维管理提供数据支撑，所以需要根据实际运维情况，制定出完善的BIM数据标准。
为保证BIM数据能够有效支撑后续的运维管理业务，本课题结合主数据中心实际建设情况和相关国家标准[8]形成了铁路主数据中心企业标准《建筑信息模型（BIM）数据与交付标准》（建议稿），该标准规定了在运维阶段模型需要达到的细度，同时要求模型中包含施工、材质、设备参数、空间、维护人员等信息。
3.2 实时数据采集
DCIM系统采用开放性设计，能够支持多类标准协议接口并具备接口定制开发能力。根据目前数据需求情况，DCIM系统中的数据通过指定接口将数据传输给原型系统，该接口采用Web Service传输数据，其调用服务具有轻量化、易于开发和维护等特点[9]。除实时数据外，还可将告警信息、操作时间等其他信息传输至原型系统。
3.3 数据交互
数字建筑物平台上存储了大量的BIM数据、非结构化数据和实时的IoT数据，其中，BIM数据与非结构化数据均为静态数据。为解决静态数据与实时的IoT数据交互问题，实现对设备设施的管理，需要依靠数字孪生技术[10]。数字建筑物平台能够提供数字孪生解决方案，在该平台上，给设备的BIM建立能够唯一标识的设备编码，设备的动态数据、设备相关文档与设备的BIM依靠编码实现相互映射，从而实现在设备的BIM上显示该设备的实时动态数据，解决BIM数据与IoT数据联动的问题。根据国家标准[11]，编码结构包含表代码、大类代码、中类代码、小类代码和细类代码。结合国家标准编码结构，设计适合主数据中心运维现状的设备编码，编码结构如图 2 所示。
主数据中心机电专业主要包含电气、暖通、消防、给排水和信息，每个专业按照如图 2 所示的编码结构对设备进行唯一标识。在数字孪生技术的支持下，本文以主数据中心的冷却塔为例，设备设施BIM构件与各类数据之间的对应关系如图 3 所示。
4 原型系统功能模块
针对现在主数据中心运维过程中存在的问题，BIM技术可以将建筑物空间、位置完全数据化，直观展示整个建筑内各类情况发生的位置；而IoT技术 将各种建筑运维数据通过传感器收集起来，并通过网络实时反映到各终端，满足各类人群的信息获取需求。BIM和IoT相结合的技术将广泛应用于施工和运维中[12]。基于BIM与IoT技术，原型系统设计并实现的功能如下。
4.1 园区概览
园区包含信息楼、运维楼等及周边供主数据中心正常运行的基础设施。为了有效管理园区，利用BIM建立一个可视三维电子沙盘，反映园区整体情 况。原型系统通过构建“一张图”式园区大数据管理应用，借助IoT与大数据分析等技术手段，促进提升园区管理透明化、日常工作精细化、运维服务智能化水平。
4.2 资产管理
资产管理主要负责对园区内部的所有基础设施进行管理，帮助运维人员快速了解设备设施信息及位置，解决“定位难”的问题。该模块功能主要包括资产可视化和资产信息管理。
（1）资产可视化
资产可视化显示园区内部的设备位置信息，不仅可以对设备设施进行定位，还可以通过选中设备，获取设备的详细信息。该功能主要帮助运维人员快速熟悉场景，用更容易理解的方式表现运维场景，对数据中心有更直观的认识。同时，资产管理还增设了隐蔽工程可视化功能，该功能结合增强现实 （AR，Augmented Reality）技术，以展示园区地下管线BIM为主。用户通过手持移动端，扫描二维码定位园区内的排水管、通信管廊管、市电管廊等， 原型系统会对当前定位点周边地下管线的BIM进行详细展示。展示内容包括但不限于设备定位、所属机组、设备参数等专业信息。
（2）资产信息管理
资产信息管理对各个专业及系统的分类建立资产树，实现对基础设施信息的结构化、数字化管理。资产信息管理包括对基础设施的资产信息录入、查 询和统计。
4.3 消防演练
消防演练通过模拟火灾场景，帮助运维人员进一步了解和掌握火灾的处理流程。通常数据中心发生火灾的概率非常小，但是一旦发生容易造成极大的损失，因此需要提升全体运维人员在处理突发事件过程中的协调配合能力，增强运维人员在火灾发生时的互救、自救意识。消防演练在BIM构建的场景中，通过模拟虚拟火灾发生情况，根据火灾发生地点制定逃生路线。模拟发生火灾、报警、逃生、确定火灾源头、灭火整个流程，能够使运维人员在面对突发情况时反应更加迅速。
4.4 能耗管理
能耗的计量、监测与管理，是实现节能减排的基础。原型系统的能耗管理对各类能耗实行精细计量、实时监测，达到精细化管理的目的。
能耗管理主要是统计园区的不同类型设备用电占比、能耗指标变化等，同时，总体能耗还能够根据用户所选时间段生成相应的报表，为运维管理人员决策提供数据支持。
5 结束语
本文通过对主数据中心基础设施运维进行调研，明确了运维的需求，分析了BIM技术对运维管理信息化的支撑，掌握了设备IoT数据与BIM数据的融合方法，形成了基于BIM的运维管理体系模式和BIM+IoT原型系统，充分发挥了主数据中心信息数据的价值。然而，原型系统在实践过程中还存在许多需要继续深化研究的地方，例如，目前的原型系统重点集中在资产管理、消防和能耗管理这3个业务场景，需要继续完善原型系统现有的功能；此外，本文对设备设施的BIM管理颗粒度为构件级别，对于管线和回路未采用构件级别的管理，需要在后续的研究中继续细化，从而更好地支撑主数据中心的精细化管理，为铁路工程实现信息化运维管理提供可借鉴的技术参考。
