基于城市信息模型的數(shù)字孿生港口平臺規(guī)劃設計

文｜山東建筑大學測繪地理信息學院 石磊 鄭國強；北京知優(yōu)科技有限公司 沈旭 劉昱君 尹愷 顏嘉旖

0 引言

當前，國內外許多港口正在積極探索智慧港口建設方案，通過城市信息模型（City Information Modeling,CIM）、建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)、物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IOT)、數(shù)字孿生及5G 等新技術，積極探索港口建設[1]。在傳統(tǒng)的港口建設中一直存在著一些固有問題得不到解決，這些問題主要有以下幾點特征：（1）數(shù)據(jù)孤島林立。港口中不同的業(yè)務系統(tǒng)之間獨立工作，互不統(tǒng)屬，彼此之間的數(shù)據(jù)信息無法得到快速流通，形成數(shù)據(jù)孤島。（2）決策方式固化。傳統(tǒng)港口主要依賴于二維平面信息，三維空間信息利用率小，面對如今越來越復雜的港口運營業(yè)務，已經(jīng)不足以支撐高效決策。（3）實時管控效率低下。目前港口調度中心主要以二維的方式進行調度管理，不能高效直觀體現(xiàn)智慧化管控能力，同時對港口的視頻監(jiān)控的有效利用率低，無法將視頻監(jiān)控與調度管理有效的結合利用。

針對上述問題，國內外學者做了大量研究，國外學者Ahmed Khalafalla 等[2]人提出利用實用的自動化系統(tǒng)，依據(jù)實時港口數(shù)據(jù)預測港口的建設擴張需求，推進智能港口建設規(guī)劃。吳云健等[3]闡述了智能港與智慧城市之間的關系，指出智能港是智能城市應用的一個重要方面，并對港口生產(chǎn)管理系統(tǒng)進行了詳細探討。WANG[4]指出為了拓展和完善港口的服務功能，各國應大力推進港口信息平臺的建設，促進整個港口城市的經(jīng)濟發(fā)展和繁榮。ZHANG[5]依據(jù)近年來智慧港口建設和運行情況，研究了智慧港口基礎設施的現(xiàn)狀以及港口未來的發(fā)展趨勢。

然而國內外的研究并未完全解決所有的傳統(tǒng)問題。在我國，試點城市如南京、北京雄安新區(qū)等智慧城市建設已取得初步成功，其中廣泛應用了CIM 技術與數(shù)字孿生技術。文章以威海港CIM 數(shù)字孿生港口建設為例，針對上述問題通過實踐證明其解決方案的可行性。

1 BIM、CIM 與數(shù)字孿生

1.1 BIM、CIM 與數(shù)字孿生含義

BIM 是一種數(shù)字仿真模擬技術，實現(xiàn)了建筑物建筑信息的集成，并貫穿于整個建筑工程項目的全生命周期[6]。BIM 技術的核心是通過建筑物的信息集成實現(xiàn)設計方、施工方以及業(yè)主的協(xié)同合作，提高工作效率。

CIM 最早由Khemlani 提出[7]。而我國同濟大學吳志強院士則將其定義擴展為城市智能模型（City Intelligent Model）[8]。住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布《城市信息模型（CIM）基礎平臺技術導則》[9]中對CIM 做了正式的定義，“以建筑信息模型（BIM）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、物聯(lián)網(wǎng)（IOT）等技術為基礎，整合城市地上地下、室內室外、歷史現(xiàn)狀未來多維多尺度信息模型數(shù)據(jù)和城市感知數(shù)據(jù)，構建起三維數(shù)字空間的城市信息有機綜合體”。

“數(shù)字孿生”概念首次出現(xiàn)在工業(yè)領域，被認為是實現(xiàn)信息物理系統(tǒng)的核心關鍵技術[10]。而在雄安新區(qū)建設中提出“堅持數(shù)字城市與現(xiàn)實城市同步規(guī)劃、同步建設”,首創(chuàng)“數(shù)字孿生城市”概念[11]。文章“數(shù)字孿生港口”的含義為“以CIM 技術形成的空間信息模型為基底，集成物聯(lián)網(wǎng)實時動態(tài)數(shù)據(jù)以及業(yè)務實體數(shù)據(jù)，構建港區(qū)全要素孿生體，實現(xiàn)港區(qū)數(shù)字孿生一體化”。

1.2 BIM、CIM 與數(shù)字孿生的聯(lián)系與區(qū)別

BIM、CIM 與數(shù)字孿生之間存在很大的區(qū)別與聯(lián)系，三者之間的關系如圖1所示。

圖1 BIM、CIM 與數(shù)字孿生的關系示意圖

（1）應用領域不同。BIM 通常應用于單體建筑，匯集建筑物的所有信息，貫穿于建筑物的全生命周期；CIM 主要應用于城市及其相關方面的智慧化建設，包括智慧交通、智慧管廊、智慧市政、智慧工地等；數(shù)字孿生首先應用于工業(yè)領域，之后應用于城市的智慧化建設。

（2）相互聯(lián)系緊密。在城市建設相關領域，BIM 是屬于CIM 的一部分，是CIM的“細胞”，CIM 技術是數(shù)字孿生城市的核心技術，是數(shù)字孿生城市的基礎，通過BIM 實現(xiàn)CIM 模型中重要建筑物的單體化精細模型，同時“BIM+數(shù)字孿生”則實現(xiàn)了建筑物的數(shù)字孿生。而通過CIM 技術，則實現(xiàn)了將物理城市的實體模型構建為數(shù)字孿生體，以CIM 平臺為基礎，對接城市各信息系統(tǒng)，加載城市數(shù)據(jù)資源，搭建物理世界與數(shù)字孿生世界的橋梁。

2 數(shù)字孿生港口平臺設計思路

CIM 融合了小場景的BIM 模型和大場景的GIS 信息，同時結合了物聯(lián)感知數(shù)據(jù)，形成城市范圍的實時的信息模型，其應用于港口建設中可實時、有效地展現(xiàn)與管理港口的生產(chǎn)作業(yè)、船舶的調度等工作。同時，與在智慧城市中的應用不同，數(shù)字孿生港口的建設范圍小，建設內容更加詳細，能夠更加細致的展現(xiàn)港口的調度。

2.1 平臺設計目標

（1）展示港口全域數(shù)字孿生場景

接入、展示與管理傾斜攝影數(shù)據(jù)、DEM/DOM/DLG 數(shù)據(jù)、城市白模數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、BIM 模型數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)格式，構建涵蓋港區(qū)全部地理信息要素與基礎設施的全要素場景，使平臺操作系統(tǒng)從二維管理模式升級到三維管理模式，通過CIM 數(shù)字孿生平臺直觀掌握三維空間層次信息，增強港口的綜合管理，解決港口信息直觀表達性差、表達不明等問題。

（2）提高數(shù)字港口建設協(xié)同調控

CIM 數(shù)字孿生平臺匯聚了港口二維與三維數(shù)據(jù)信息、靜態(tài)動態(tài)一體化數(shù)據(jù)信息、多元專題數(shù)據(jù)信息、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)信息等多方面、多部門信息，同時依據(jù)數(shù)據(jù)中臺建設以分布式大數(shù)據(jù)集群技術為代表的數(shù)據(jù)基礎支撐體系，實現(xiàn)了港口多部門數(shù)據(jù)聯(lián)通與協(xié)同。

（3）保證數(shù)字港口作業(yè)安全

通過數(shù)字孿生視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)融合技術，結合港口視頻監(jiān)控設備和地理空間數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)字模型與視頻數(shù)據(jù)的無縫融合。港口設備監(jiān)控平臺對港區(qū)港橋、冷鏈、物流等設備實時監(jiān)控與監(jiān)測，同時建有港口防風預警平臺、消防警情預警平臺等，共同打造預警信息提醒等能力，提高港口安全管控能力。

2.2 平臺架構設計

圖2 威海港CIM 數(shù)字孿生平臺架構

一采集：通過5G、IOT、數(shù)據(jù)庫等一流技術對接港區(qū)內業(yè)務系統(tǒng)基礎資源和高清視頻基礎數(shù)據(jù)的采集與存儲。

三主線：圍繞船舶作業(yè)、場站作業(yè)、道路運輸?shù)热龡l核心業(yè)務開展數(shù)據(jù)整合、匯聚與治理。

三核心：依托CIM 數(shù)字孿生引擎、AI、數(shù)據(jù)中樞等核心工具實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)的共享交換和分析，為CIM 可視化集成分析提供支撐。

四應用：圍繞生產(chǎn)調度、客戶服務、安全管理、物流倉儲等港口作業(yè)四大方面挑選場景開展CIM數(shù)字孿生應用場景建設。

四主體：圍繞散雜貨、集裝箱、客滾中心、冷鏈中心等4 個主要管理主體進行CIM 數(shù)字孿生應用服務。

2.3 平臺技術支撐

威海港CIM 數(shù)字孿生平臺綜合應用5G、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、CIM 等技術，實現(xiàn)與物理空間1∶1 對應的云端港口運行狀態(tài)全景圖。

（1）CIM 數(shù)字孿生引擎

依據(jù)研發(fā)的三維引擎（依據(jù)虛幻引擎（Unreal Engine 4,UE4）進行二次開發(fā)）、高效數(shù)據(jù)中心、智能化決策算法（包括交通、應急、消防、物流算法），搭建引擎技術架構，建設CIM 數(shù)字孿生引擎，為CIM 數(shù)字孿生提供了強有力支撐。其主要功能見表1。

表1 CIM 數(shù)字孿生引擎核心功能

（2）BIM 數(shù)據(jù)格式轉換技術

演唱會音樂，一般均擁有一定的人數(shù)規(guī)模，并在觀眾面前進行現(xiàn)場音樂表演。演唱會對于音樂愛好者而言，是一個狂歡的活動。在現(xiàn)場，他們的情緒可以得到盡情的釋放，如激動、悲憤等。據(jù)資料顯示，近年來，演唱會音樂已逐漸發(fā)展為音樂產(chǎn)業(yè)中重要組成部分，且門票銷售收入一直呈持續(xù)增長的趨勢。此外，由演唱會演變的音樂節(jié)，成為音樂產(chǎn)業(yè)中的一匹黑馬脫穎而出。音樂節(jié)的出現(xiàn)，對音樂和表演者而言，將重新包裝提升其價值，從而獲取更多的利潤。到目前為止，已舉行百余場音樂節(jié)，預計未來將會達到更多。

BIM 模型儲存幾何信息與非幾何信息,為各專業(yè)在建筑內的集成提供服務。而GIS支持地理信息的數(shù)據(jù)管理、集成、共享服務和空間分析,為協(xié)同設計提供支持[12]。BIM 模型數(shù)據(jù)本身的標準化IFC 格式是其能夠與其他格式轉換的基礎。而采用自動化處理技術，實現(xiàn)BIM 軟件接口與數(shù)據(jù)空間數(shù)據(jù)庫的對接，使BIM 模型的結構信息、幾何信息、參數(shù)信息及屬性信息等盡可能完整的傳遞。

（3）BIM 模型輕量化技術

BIM 模型輕量化技術是通過對BIM 模型數(shù)據(jù)分析，將模型中非幾何數(shù)據(jù)進行剝離以及幾何數(shù)據(jù)的優(yōu)化，以達到減小模型數(shù)據(jù)量的目的[13]。BIM 模型的輕量化是解決BIM 與GIS 在結合過程的關鍵問題之一，目前常用的輕量化方法主要有：基于標準數(shù)據(jù)格式間的模型文件轉換法，基于模型設計插件的模型文件格式轉換法，基于模型文件解析分割法，基于模型文件構件遍歷及標識法[14]。

（4）數(shù)據(jù)中臺

數(shù)據(jù)中臺是一種將企業(yè)沉睡的數(shù)據(jù)變成數(shù)據(jù)資產(chǎn)，持續(xù)使用數(shù)據(jù)，并進行智能化分析，最終為業(yè)務服務，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)價值變現(xiàn)的系統(tǒng)和機制[15]。威海港CIM 數(shù)字孿生平臺數(shù)據(jù)中臺如圖3所示，核心內容包括兩方面：

圖3 威海港CIM 數(shù)字孿生平臺數(shù)據(jù)中臺示意圖

① 應用數(shù)據(jù)關聯(lián)共享能力，以CIM 數(shù)據(jù)中臺為核心，統(tǒng)籌各類基礎信息和重要共享數(shù)據(jù)匯聚要求。

② 數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理能力，協(xié)助建立管理流程，落地數(shù)據(jù)標準，提升數(shù)據(jù)質量。助力打造數(shù)據(jù)資產(chǎn)，挖掘數(shù)據(jù)潛在價值。

3 數(shù)字孿生系統(tǒng)平臺功能模塊規(guī)劃設計

3.1 生產(chǎn)調度模塊規(guī)劃設計

（1）集裝箱、散雜貨模塊規(guī)劃設計

威海港利用CIM 數(shù)字孿生技術對集裝箱、散雜貨生產(chǎn)作業(yè)的工況進行全流程仿真。通過地理空間信息承載引擎，搭載全港傾斜攝影、正射影像等地理空間信息數(shù)據(jù)和BIM、三維GIS 模型數(shù)據(jù)，通過視頻融合技術將現(xiàn)場監(jiān)控視頻與三維模型精準融合，對人車船設備進行高效監(jiān)管，提高作業(yè)效率和管控能力。如圖4左側圖所示。

（2）岸橋作業(yè)模塊規(guī)劃設計

通過數(shù)字孿生技術，將場橋式集裝箱起重機、岸橋式集裝箱起重機、跨運車、集裝箱運輸車、集裝箱等事物進行1∶1數(shù)字復刻，綜合應用5G、物聯(lián)網(wǎng)、UE4 動態(tài)引擎等技術展現(xiàn)吊裝系統(tǒng)實時作業(yè)場景。如圖4右側圖所示。

圖4 集裝箱、散雜貨模塊與岸橋作業(yè)模塊

3.2 客戶服務模塊規(guī)劃設計

（1）企業(yè)信息管理模塊規(guī)劃設計

通過對接智慧化綜合管理系統(tǒng)，將港口內集裝箱的詳細信息一一與企業(yè)信息相對應，使管理人員更加直觀高效的查看對應企業(yè)信息，掌控貨物情況。

（2）貨物信息管理模塊規(guī)劃設計

利用安裝的高速高清球機，抓拍前后、側面、箱面箱號圖像。通過數(shù)字孿生、參數(shù)化建模等技術動態(tài)展現(xiàn)箱號的顏色、尺寸、箱貨來源等全屬性信息。并結合企業(yè)信息和船舶計劃等，實現(xiàn)貨物的基本信息查看。

（3）船舶、泊位管理模塊規(guī)劃設計

通過對接智慧化綜合管理系統(tǒng)，將港口船舶進出港計劃、泊位管理、船舶資料信息等進行集成管控，在平臺中實時展現(xiàn)船舶航行狀態(tài)和泊位是否空余（如圖5所示），為港口企業(yè)與客戶提供實時船舶、泊位信息。

圖5 船舶、泊位信息示意圖

3.3 安全管理模塊規(guī)劃設計

（1）設備安全管理模塊規(guī)劃設計

集成IOT 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控數(shù)據(jù)，清晰任務分配視圖，統(tǒng)計各種性能指標，統(tǒng)計設備歷史數(shù)據(jù)，利用設備故障預策機制，能夠在設備出現(xiàn)故障之前感知異常信息，實現(xiàn)重要內容圖形化展示，對不安全因素及時預警，避免設備的突然損壞，保證港區(qū)設備的正常運行。

（2）作業(yè)安全管理模塊規(guī)劃設計

結合港口視頻監(jiān)控設備和動態(tài)作業(yè)數(shù)據(jù)，對接安全管理平臺，對港區(qū)重點區(qū)域進行隱患排查，對視頻監(jiān)控點周圍畫面識別挖掘，實時掌控隱患排查信息，及時反饋預警信息。港口安全管理評級如圖6所示。

圖6 港口安全管理評級示意圖

3.4 物流倉儲模塊規(guī)劃設計

（1）物流配套管理模塊規(guī)劃設計

物流園區(qū)采用聯(lián)動消防警情預警機制，通過監(jiān)控進行煙霧報警智能AI 識別，自動讀取數(shù)據(jù)并對比分析，對低壓故障斷電告警，平臺則立即提示管理人員進行消防應急處置，在所搭建的孿生環(huán)境下精準查詢物資設備定位。如圖7所示。

圖7 物流園區(qū)與煤炭倉儲中心

（2）煤炭存儲管理模塊規(guī)劃設計

倉儲中心利用增強現(xiàn)實（Augmented Reality,AR）視頻融合技術對煤倉建筑易于污染地區(qū)進行實時監(jiān)控，并智能分析污染程度，實時反饋管理人員，輔助管理人員及時做出決策，確保綠色環(huán)保經(jīng)營。

4 總結

文章將以CIM 技術為核心的數(shù)字孿生引入港口建設中，構建威海港數(shù)字孿生體，搭建威海港CIM 數(shù)字孿生平臺，建成統(tǒng)一的資源整合的CIM 數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫，集成并整合各業(yè)務子系統(tǒng)重點數(shù)據(jù)資源；實現(xiàn)數(shù)字模型與視頻數(shù)據(jù)的無縫融合，打造預警信息提醒等能力，提高港口安全管控能力；實時掌控港口作業(yè)全景圖，提高港口作業(yè)管理效率。為未來中國智慧港口的建設提供了可行性方案。