數(shù)字孿生的智慧建筑系統(tǒng)平臺設計

鄭猛

（上海振華重工集團股份有限公司）

1 引言

伴隨云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G、物聯(lián)網(wǎng)等信息和通信技術的發(fā)展，建筑智能化領域正面臨自我進化和深度融合，作為智慧城市和智慧中國的重要部分，智慧建筑是智能建筑和新興信息技術結合的產(chǎn)物，是社會發(fā)展和產(chǎn)業(yè)升級的必然要求。

數(shù)字孿生理念源于工業(yè)制造領域數(shù)字化全生命周期管理，應用于產(chǎn)品設計、性能仿真、裝配工藝、測量檢驗等環(huán)節(jié)，提高研發(fā)效率，降低研發(fā)成本[1]。數(shù)字孿生技術正加速與人工智能等新型技術的融合，廣泛落地工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等場景。

2 行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

《智能建筑設計標準》GB/T 50314[2]經(jīng)過2000年、2006年、2015年三個版本的迭代，指導了國內智能建筑行業(yè)有序發(fā)展。從初期側重技術要素（自動化、系統(tǒng)集成、信息通信技術等）到關注綠色環(huán)保和用戶體驗，再到現(xiàn)在業(yè)界開始關注整個社會和生態(tài)的“可持續(xù)發(fā)展”，利用人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、BIM、虛擬現(xiàn)實等技術，提升建筑的整體智慧和持續(xù)進化的自適應能力。

2017年3月阿里巴巴發(fā)布《智慧建筑白皮書》[3]，提出建筑可以有生命、建筑可以不斷進化的理念和智慧建筑操作系統(tǒng)IBOS 的參考架構。騰訊的微瓴智慧建筑管理平臺，針對建筑內的硬件、應用、服務等資源，提供物聯(lián)、管理與數(shù)字服務，賦予建筑綜合協(xié)同的智慧能力。2019 年12月全國智能建筑及居住區(qū)數(shù)字化標準化技術委員會和華為編制《中國智慧園區(qū)標準化白皮書》[4]系統(tǒng)闡述智慧園區(qū)標準化現(xiàn)狀、技術支撐體系和標準體系建設規(guī)劃。江森自控2020 年12月發(fā)布了《五維智慧建筑白皮書》[5]，以建筑使用者、設計者、運營者、擁有者四個群體為對象，了解各方有關智慧建筑和智慧化實踐思考，提煉出智慧建筑行業(yè)“八大洞察”的調研報告。

全國智標委（SAC/TC426）和中國建筑節(jié)能協(xié)會于2021 年1月正式發(fā)布《智慧建筑評價標準》[6]團體標準編號為T/CABEE002-2021，自2021 年5月1 日實施。其中對智慧建筑的定義：“以建筑為載體，綜合利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術，構建新一代信息技術應用的綜合服務平臺，實現(xiàn)建筑數(shù)據(jù)的全面感知、推理、判斷和自我決策，通過全生命周期對設施及環(huán)境空間的自進化和自適應管控，構建人、設施、環(huán)境互為協(xié)調的整合體，從而提供具備節(jié)能、安全、高效、健康人性化功能環(huán)境的建筑?！?021年4月30 日，中國建筑學會發(fā)布公告批準《智慧建筑設計標準》[7]（編號T/ASC 19-2021）為中國建筑學會標準，自2021年7月1日起實施。兩個標準的發(fā)布，為數(shù)字建筑從智能化升級到智慧化指導了設計和評價的參考依據(jù)。

3 數(shù)字孿生的智慧建筑系統(tǒng)方案設計

3.1 設計理念

如圖1所示數(shù)字孿生智慧建筑數(shù)字平臺設計理念，將人、環(huán)境、建筑空間、設備設施在云端數(shù)字空間構建全生命周期的動態(tài)復制體，實現(xiàn)基于建筑空間BIM三維數(shù)字底圖、設施設備的立體感知物聯(lián)網(wǎng)、歷史實時預測的環(huán)境動態(tài)數(shù)據(jù)和以人為本的應用服務有機融合，具備學習進化能力的數(shù)字智慧建筑系統(tǒng)平臺。

圖1 數(shù)字孿生智慧建筑系統(tǒng)的設計理念

智能建筑中存儲了許多信息，智能化集成系統(tǒng)IBMS 完成對各子系統(tǒng)現(xiàn)場控制設備實時信息的收集和處理，但數(shù)據(jù)智能和連接協(xié)同欠缺；而未來智慧的建筑會從信息中學習，將建筑空間BIM 靜態(tài)數(shù)據(jù)與設備、傳感器等動態(tài)數(shù)據(jù)相關聯(lián)，將建筑數(shù)據(jù)與人類意圖相關聯(lián)?！爸腔邸被陟o態(tài)、動態(tài)、關系和行為的歷史實時數(shù)據(jù)采集，靠不斷迭代的先進算法模型的數(shù)據(jù)分析和智能決策來達成，通過數(shù)字孿生持續(xù)進化的“建筑大腦”實現(xiàn)對人、環(huán)境、空間和設備更深入的認知、合理的推斷、優(yōu)化的操作和精準的服務。

3.2 方案的邏輯架構

基于數(shù)字孿生的設計理念，考慮業(yè)務數(shù)據(jù)與業(yè)務邏輯解耦、平臺和應用解耦的邏輯架構，設計方案目標是建設數(shù)字孿生的“建筑大腦”，通過靈活可擴展的物聯(lián)網(wǎng)框架，實現(xiàn)所有子系統(tǒng)的接入管理。通過數(shù)據(jù)處理技術對BIM 靜態(tài)空間數(shù)據(jù)、設施設備等IoT動態(tài)數(shù)據(jù)、用戶行為數(shù)據(jù)和各要素關系數(shù)據(jù)實現(xiàn)統(tǒng)一治理，形成標準的數(shù)據(jù)主題庫和專題庫（人員、設備、車輛、事件等）。通過標準接口協(xié)議孿生資產(chǎn)可重用單元的模型服務和應用服務，支撐智慧建筑應用的快速定制開發(fā)。系統(tǒng)按規(guī)范要求，可對接各級智慧城市、智慧社區(qū)綜合和專項管理平臺。

在圖2的數(shù)字孿生智慧建筑系統(tǒng)方案邏輯架構頂部的智慧建筑應用層，面向高級管理者、決策者提供總體的數(shù)字化運營分析服務，提供管理駕駛艙、綜合態(tài)勢、智能預警等智慧指揮類應用。面向操作管理人員，開發(fā)集中的設備管理、綜合安防、環(huán)境空間、能效管理類的管理工具。面向員工訪客，提供智慧辦公、便捷通行等高效便捷、舒適環(huán)境的智能化服務；以類似智慧建筑應用商店的模式，聚合部署智慧食堂、機器人服務等長尾的應用。

圖2 數(shù)字孿生智慧建筑系統(tǒng)方案的邏輯架構

中間的通用平臺、孿生數(shù)據(jù)中臺和孿生服務中臺構成智慧建筑的操作系統(tǒng)。通用平臺包括人工智能算法框架組件、大數(shù)據(jù)處理引擎、物聯(lián)網(wǎng)平臺、視頻分析處理、地理信息系統(tǒng)工具、建筑信息模型BIM引擎等部署在本地的通用數(shù)據(jù)接入和處理能力模塊。孿生數(shù)據(jù)中臺基于通用平臺的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和協(xié)議轉換、大數(shù)據(jù)處理引擎的數(shù)據(jù)清洗和加工，形成設備、人員、時空、資產(chǎn)等主題庫，提供離線、快速、實時等數(shù)據(jù)供應服務。業(yè)務孿生中臺基于微服務框架構建統(tǒng)一的服務產(chǎn)品能力，達成匯聚公共能力、支撐上層業(yè)務能力、支撐水平業(yè)務擴展能力的目標。

ICT 基礎設施層包括云基礎服務和連接網(wǎng)絡。云基礎服務可采用公有云、私有云、混合云和多云的構建模式。連接網(wǎng)絡包括銅纜網(wǎng)絡、無源光局域網(wǎng)及無線網(wǎng)絡網(wǎng)絡傳輸類型。

底層設備設施層既有傳統(tǒng)智能建筑的設備、子系統(tǒng)，比如安防類子系統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等，設備設施類子系統(tǒng)的暖通、給排水、供配電、照明等，實現(xiàn)各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合及協(xié)同高效運營；也接入了人臉閘機、電子工位、服務機器人等新型的智慧應用子系統(tǒng)類設備，通過統(tǒng)一接入開發(fā)，為上層應用提供統(tǒng)一交互服務。

通過統(tǒng)一的運維平臺，對網(wǎng)絡設備、基礎設施和IT系統(tǒng)進行統(tǒng)一的運維管理。

3.3 價值分析

數(shù)字孿生的智慧建筑系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)、協(xié)同和智能等要素碰撞，升級了管理的技術手段，輔助管理智能決策，提高了管理溝通效率；綠色、安全、高效、適宜的辦公環(huán)境，提升員工滿意度、促進交流、提高效率、密切協(xié)作、賦能成長；BIM 智慧運維、預測性維護、服務機器人、AI能效大數(shù)據(jù)優(yōu)化等，全面升級傳統(tǒng)物業(yè)“四保”能力，節(jié)省人力成本，降低勞動強度，節(jié)約能耗費用；訪客預約、智慧停車、誠信租賃等應用，為商務活動提供精細化貼心服務。

以數(shù)字孿生智慧建筑系統(tǒng)的BIM 智慧運維為例，僅利用好竣工BIM模型的數(shù)據(jù)庫，即可提升運維效率10%～30%，降低物業(yè)運維成本10%～30%。例如按照寫字樓物業(yè)人員建筑面積每1萬㎡15人～18人左右，其中機電4 人～5 人和安保人員5 人，故10萬㎡可按100 人計算，提高工作效率10%相當于節(jié)約人力成本10×8 萬/人=80 萬；降低維保費用10%～20%，10 萬㎡建筑每年維保費用應該大于200 萬，節(jié)約200×10%=20萬；降低能耗5%～30%，按照年能耗費用1000 萬計算，費用50 萬/a，總計每年至少節(jié)約80+20+50=150 萬，若按照投入300 萬～400 萬計算，2a～3a可收回成本。

4 結語

數(shù)字孿生的智慧建筑系統(tǒng)方案以“物數(shù)孿生、映射交互、主動服務、智能進化”為設計理念，平臺是基礎，數(shù)據(jù)是燃料，算法是引擎，服務是目的。在建設階段，設計內容上就要考慮后期運營的需求，實現(xiàn)建筑實體工程和數(shù)字工程數(shù)字孿生的“雙交付”。在運營階段，以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型、服務模型為數(shù)據(jù)載體，將智慧建筑運營管理、設施維護與個性服務的運營相關聯(lián)，通過持續(xù)交付升級基礎應用和場景應用，使建筑更加安全、高效、綠色健康、充滿活力。