基于CIM 的智慧園區(qū)技術探索與落地實踐

周強 唐偉 孫浩 臺思 王樹濤 余海威 郭睿

(中國建筑西南設計研究院有限公司，成都 610042)

引言

隨著我國城市化進程的加快，智慧城市建設已成為國家發(fā)展戰(zhàn)略之一。作為智慧城市建設的重要組成部分，CIM（City Information Modeling，城市信息模型）技術在近年來得到了廣泛應用。CIM 是以建筑信息模型（BIM）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等技術為基礎[1]，整合城市多維多尺度信息模型數(shù)據(jù)和感知數(shù)據(jù)，構建三維數(shù)字空間的城市信息有機綜合體[2]。隨著CIM 技術的廣泛應用，其體系逐漸清晰，核心技術包括物聯(lián)感知技術、GIS 與新型測繪技術、孿生建模技術、可視化渲染技術、仿真推演技術和交互控制技術等。應用場景的尺度延伸促進了技術引擎的深度融合，如將GIS 引擎的數(shù)據(jù)管理調(diào)度和空間分析等能力與Unreal Engine （簡稱UE）、Unity 等游戲引擎的場景表現(xiàn)能力緊密結合、利用IoT 引擎與WebGL 引擎的融合，將模型與物理空間掛接，實時加載物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)動態(tài)化管理。

在智慧城市這一先行理念的引導下，智慧園區(qū)的概念進入了公眾的視野，作為智慧城市的重要組成單元，智慧園區(qū)的體系結構與發(fā)展模式是智慧城市在一個區(qū)域范圍內(nèi)的縮影。數(shù)字孿生是智慧園區(qū)技術層面的抓手，而基于CIM 技術的數(shù)字孿生是其中眾多技術之一，CIM 技術在智慧園區(qū)的應用，是把CIM 技術具體落地到園區(qū)建設運行中[3]，統(tǒng)籌園區(qū)整體全面信息系統(tǒng)的建設應用，真正實現(xiàn)智慧園區(qū)的升級落地[4]。CIM 技術在智慧園區(qū)的應用落地在國內(nèi)已有不少成功案例，如青島云谷智慧園區(qū)、深圳國際生物谷壩光片區(qū)等。

青島云谷智慧園區(qū)基于CIM+數(shù)字孿生技術，通過打造“IoT 物聯(lián)平臺+IoC 決策運營平臺中心+9 大智慧園區(qū)服務體系+9 個智慧場景”的個性化解決方案，提供了統(tǒng)一管理、應急部署、互動展示等方面的有效管理和集成，打造了“宜居、宜業(yè)”的智慧園區(qū)。

深圳國際生物谷壩光片區(qū)的CIM 技術實踐，目標是片區(qū)內(nèi)的工程透明、數(shù)據(jù)可視可控和輔助決策。通過搭建壩光CIM 標準體系，在標準框架下對BIM 模型整合，建設壩光CIM 管理平臺和運維系統(tǒng)，實現(xiàn)壩光片區(qū)的“規(guī)、建、管”一體化[4]。

綜上，目前CIM 的研究應用大多聚焦在城市層面，而開展落地實踐往往是從城市的某一區(qū)域著手。一是因為CIM 是宏觀與微觀相結合，必須要落地到建筑單體，園區(qū)恰恰是建筑單體的直接管理單位，能帶來更細致的需求場景；二是因為目前CIM 技術難以支撐城市級體量的、室內(nèi)外一體化融合分析與應用[5]。在此背景下，基于CIM 的智慧園區(qū)技術探索與落地實踐具有很強的可行性和必要性，本文以獨角獸島智慧園區(qū)為例，詳細介紹在該項目中對CIM 技術的應用和思考。

1 基于CIM 的獨角獸島智慧園區(qū)技術實現(xiàn)

獨角獸島智慧園區(qū)建設項目，位于成都市天府新區(qū)，總規(guī)模約144 萬㎡。項目充分應用城市信息模型CIM 技術構建其場景及智慧應用，主要建設內(nèi)容包括數(shù)字孿生平臺建設、多災種監(jiān)測預警、“規(guī)-建-運”全生命周期管理、智慧能源雙碳等亮點應用場景，獨角獸島數(shù)字孿生平臺園區(qū)整體態(tài)勢如圖1 所示。項目按照成都市智慧園區(qū)四星級認證標準，打造國內(nèi)一流的毫米級精度數(shù)字孿生園區(qū)。

圖1 獨角獸島數(shù)字孿生平臺園區(qū)整體態(tài)勢圖

1.1 總體技術架構

獨角獸島智慧園區(qū)的總體技術架構分為數(shù)據(jù)資源、通用服務平臺、數(shù)字孿生CIM 平臺。其中，數(shù)據(jù)中臺、物聯(lián)中臺提供基礎技術支撐服務，CIM 平臺提供基礎引擎服務、模型處理與渲染服務和數(shù)據(jù)服務能力，協(xié)同為整個智慧園區(qū)提供數(shù)據(jù)治理、場景可視化、管理精細化等能力，總體技術架構如圖2 所示。

圖2 總體技術架構圖

物聯(lián)中臺對前端感知設備進行統(tǒng)一管理，包括數(shù)據(jù)采集、空間定位、統(tǒng)計分析和狀態(tài)監(jiān)測等多種應用，各類應用通過智能終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。在此基礎上，實現(xiàn)無線傳感、實時監(jiān)測和狀態(tài)信息的動態(tài)以及實時管理[6]。

數(shù)據(jù)中臺通過設計開發(fā)基于CIM 技術的智能管理系統(tǒng)的多維時空數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)從空間、時段和內(nèi)容等方面的信息采集、處理、管理和應用支撐，從而滿足現(xiàn)階段的通用性需求和下階段的大數(shù)據(jù)挖掘需求[6]。

CIM 平臺的基礎引擎服務提供包括不限于WebGL可視化引擎服務、UE 渲染游戲引擎服務、海量BIM模型加載服務、多源數(shù)據(jù)融合服務以及實體對象計算服務等服務能力。通過三維地理信息系統(tǒng)（3D GIS）與建筑信息模型（BIM）之間無縫和信息無損集成技術[7]，融合各類動態(tài)IoT、事件數(shù)據(jù)，創(chuàng)建基于CIM技術的動態(tài)化、智能化管理平臺。針對海量數(shù)據(jù)融合可視化過程中存在的圖像快顯的漸進傳輸、數(shù)據(jù)的輸入或輸出與處理之間的并行和數(shù)據(jù)處理的高內(nèi)存占用等關鍵問題，采用海量數(shù)據(jù)圖像處理技術、海量數(shù)據(jù)快速可視化技術和基于視窗預測的矢量與三維BIM 模型數(shù)據(jù)一體化動態(tài)加載技術等來解決，尤其解決了可視化過程中的矢量、業(yè)務和三維等多維數(shù)據(jù)展示問題，實現(xiàn)多維數(shù)據(jù)快速流暢的可視化。

CIM 平臺的模型處理與渲染服務提供包括多格式模型轉換、多模型融合、三維特效疊加以及BIM 模型數(shù)據(jù)處理等模型服務能力。兼容主流BIM 模型、點云模型格式，采用BIM 轉換解析技術、大型關系數(shù)據(jù)庫技術以及非關系型數(shù)據(jù)庫技術?；谙到y(tǒng)間開放互聯(lián)、數(shù)據(jù)互通和網(wǎng)絡環(huán)境的需求，形成以完備的時空地理數(shù)據(jù)庫為基礎[6]，提供基礎應用場景，支撐平臺的相關應用，實現(xiàn)數(shù)字化園區(qū)的時空地理信息承載平臺。

CIM 平臺的數(shù)據(jù)服務提供包括數(shù)據(jù)匯聚與管理、數(shù)據(jù)查詢與可視化、數(shù)據(jù)共享與交換、平臺分析、平臺運行以及支撐能力等服務能力?；诘讓訑?shù)據(jù)分級分層組織技術（包括影像數(shù)據(jù)分層、LOD 模型分層等）、面向對象的多源數(shù)據(jù)管理技術和時空數(shù)據(jù)組織模型技術實現(xiàn)海量異構時空數(shù)據(jù)的高效組織和管理，支持海量時空數(shù)據(jù)的高效檢索和調(diào)用。同時支持圖片、文字、視頻、遙感影像、矢量、三維、點云及高程(DEM)等各種異構數(shù)據(jù)。針對多源數(shù)據(jù)，內(nèi)置二三維數(shù)據(jù)分析能力，提供在線或離線計算能力。

1.2 關鍵技術點

1.2.1 全要素場景建模能力

創(chuàng)建獨角獸島全要素場景模型是構建數(shù)字孿生應用的重要步驟之一，需要展現(xiàn)獨角獸島物理實體的幾何圖形、屬性、行為和規(guī)則等。除了在外觀結構和物理實體一致，全要素場景模型還需模擬物理實體的時空狀態(tài)、行為和功能等。

本項目主要采用以下關鍵技術手段創(chuàng)建獨角獸島全要素場景模型。

（1）BIM 模型輕量化。通過對原始BIM 模型數(shù)據(jù)進行清洗、減面、壓縮等操作，減少模型的體量和復雜度，以在實際項目中提高BIM 模型的運行效率，使其更適合在電腦、手機等終端上查看和交互。本項目在已有BIM 模型的情況下，需要對原始BIM 模型數(shù)據(jù)進行清洗、減面、壓縮等操作，以在實際項目中提高BIM 模型的運行效率；

（2）傾斜攝影。通過無人機搭載的多臺相機從多個角度采集影像數(shù)據(jù)。通過其中一臺相機獲取地物的垂直影像，另外四臺相機將傾斜角度保持在40°~60°的范圍，從前后左右四個方向同時獲取側視影像，從而獲取完整、準確的地物輪廓和紋理信息；

（3）人工測繪。部分場景無法通過BIM 模型處理以及傾斜攝影解決，需采用人工測繪方式來構建。

1.2.2 UE 與WebGL 雙引擎渲染能力

數(shù)字孿生場景渲染能力是當下數(shù)字孿生項目實際交付過程中的核心關注能力之一。目前在三維渲染引擎的技術選型上通常是兩種方案，一種是基于C/S 架構的主流游戲引擎技術路線（UE、Unity 等），另外一種是基于B/S 架構的WebGL 技術路線。

基于WebGL 的技術路線是基于WebGL 封裝的渲染庫進行開發(fā)，如three.js、babylon.js，適用于效果要求不高的場景[8]。其優(yōu)勢在于：

（1）靈活性高。根據(jù)業(yè)務需求深度定制，易于其他業(yè)務系統(tǒng)通信或集成；

（2）代碼冗余少。易于問題排查；

（3）建設成本低。

其劣勢在于：

（1）復用性低。根據(jù)業(yè)務需求深度定制可復用的代碼少，難以模塊化；

（2）效果較差。能支撐的三維場景體量小，能達到的渲染效果比較有限，難以實現(xiàn)中大型場景或較為寫實的場景風格；

UE 是一款由Epic Games 開發(fā)的游戲引擎，用于創(chuàng)建電子游戲、虛擬現(xiàn)實和數(shù)字孿生等內(nèi)容。UE 提供了完整的工具集，包括編輯器、資源管理器、代碼編輯器和調(diào)試器等。UE 在數(shù)字孿生領域中發(fā)揮著重要的作用，可用于創(chuàng)建高度仿真的虛擬環(huán)境，實現(xiàn)虛擬演練、測試和模擬。其優(yōu)勢在于：

（1）強大的渲染引擎和物理模擬系統(tǒng)，可實現(xiàn)高質量的圖形渲染和物理模擬。UE 的渲染引擎使用了基于PBR（Physically Based Rendering）渲染技術，可以模擬真實物體的反射、折射等光學效果，使場景更真實；

（2）支持實時渲染，可以讓開發(fā)者在編輯器中實時預覽場景效果，通過編輯器實時調(diào)整場景中的元素、光照、材質等參數(shù)，更好地觀察和調(diào)試場景；

（3）UE 所提供的藍圖可視化腳本可以快速構建業(yè)務邏輯和應用功能。

其劣勢在于：

（1）渲染成本高，對于資金預算緊張的項目需慎重考慮；

（2）對硬件設施要求高，對展示端和服務器圖形工作站有較高的配置要求；

（3）只支持C/S 架構，不能實現(xiàn)多端訪問。

本項目基于B/S 和C/S 兩種技術架構以及云渲染技術架構，采用UE 與WebGL 雙引擎渲染技術路線。采用雙引擎渲染的優(yōu)勢在于：

（1）兼容性更強。UE 支持多種平臺發(fā)布，包括桌面和移動端等，WebGL 則兼容所有支持HTML5 Canvas 的瀏覽器。兩者結合可實現(xiàn)更廣泛的兼容性；

（2）渲染更高效。利用UE 的強大渲染引擎和WebGL 的硬件加速功能，實現(xiàn)更快速、更流暢的3D渲染效果，尤其是在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)和復雜場景時；

（3）交互性更強。UE 具有極高的自由度，實現(xiàn)復雜交互邏輯，WebGL 可通過JavaScript 編寫游戲邏輯，直接嵌入到網(wǎng)頁中，無需安裝額外的軟件。兩者相結合，可以實現(xiàn)更好的交互性，讓用戶體驗更加豐富。

1.2.3 虛實交互與實時仿真能力

數(shù)字孿生系統(tǒng)的虛實交互操作性，意味著在虛擬世界中的操作能夠在真實物理世界得到反饋，這樣的虛實交互、虛實聯(lián)動，是從看見數(shù)字化轉變到受益于數(shù)字化的關鍵。

在建設過程中，強調(diào)虛實共生。設置智慧運營指揮中心，業(yè)務決策人發(fā)現(xiàn)異常事件后拉起相關負責人發(fā)起視頻會議做出決策，對應的任務下派給一線業(yè)務人員，一線業(yè)務人員上報情況后事件處理的結果能在場景中反饋出來。

完整的聯(lián)動指揮體系其中的關聯(lián)的數(shù)據(jù)包含人、事、物?！叭恕奔磮@區(qū)公眾；“事”指日常任務、異常事件的告警，以及提前設定好的預案；“物”是物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)據(jù)，如攝像頭、煙霧報警器、閘機等。獨角獸島數(shù)字孿生平臺智慧安防整體態(tài)勢如圖3 所示。

圖3 獨角獸島數(shù)字孿生平臺智慧安防整體態(tài)勢圖

通過數(shù)據(jù)中臺整合物聯(lián)網(wǎng)感知設備、樓宇自控系統(tǒng)等各種分散的數(shù)據(jù)，以及事件樞紐中心等協(xié)同系統(tǒng)，用協(xié)同系統(tǒng)實現(xiàn)任務流程管理、任務臺賬。結合場景構建能力、業(yè)務場景協(xié)同能力實現(xiàn)智慧能源、智慧安防等應用場景。

1.2.4 場景應用敏捷交付能力

伴隨著快速增長的智慧園區(qū)數(shù)字孿生應用場景需求，緩慢的定制化開發(fā)與快速交付需求的矛盾日益突出。為滿足快速發(fā)展的場景應用需求，本項目采用敏捷開發(fā)的思想，充分復用既有數(shù)字資產(chǎn)，持續(xù)提升數(shù)字孿生技術對園區(qū)業(yè)務的支撐作用。

本項目敏捷交付的思想主要體現(xiàn)在兩個方面：

（1）數(shù)字孿生場景編排中心。平臺接入數(shù)據(jù)中臺的數(shù)據(jù)、接入業(yè)務中臺的業(yè)務能力、接入數(shù)字孿生中臺的模型處理及多種能力，提供場景配置、接口配置、業(yè)務集成配置、資源管理、應用發(fā)布等能力，通過“拖、拉、拽”等多種配置方式，快速構建園區(qū)應用，實現(xiàn)高效地實施落地；

（2）智慧園區(qū)業(yè)務編排中心。通過全面分析園區(qū)全生命周期的業(yè)務需求，挖掘共性業(yè)務，建立園區(qū)業(yè)務模型、業(yè)務流程、業(yè)務服務，建立業(yè)務中臺。通過業(yè)務中臺持續(xù)沉淀智慧園區(qū)業(yè)務能力，實現(xiàn)高效復用。

2 獨角獸島智慧園區(qū)特色應用及建設亮點

2.1 軍民融合政策的貫徹——多災種預警安全監(jiān)測

獨角獸島多災種預警應用包含了北斗建筑安全監(jiān)測、地震預警等應用。針對建筑物復雜材料的組合、高藝術性的異形設計、大荷載的高層構造，引入北斗系統(tǒng)對建筑安全智能監(jiān)測，實時監(jiān)測建筑的形變情況，評估其健康狀況；將電梯內(nèi)的地震預警接收終端與地震預警中心連接，實時接收地震預警中心發(fā)出的預警信息，提示用戶進行合理避險，操縱電梯自動平層就近停靠，保證人員生命財產(chǎn)安全。

2.2 雙碳戰(zhàn)略的落地實踐——智慧能源低碳管控

獨角獸島集中能源站利用區(qū)域能源，結合可再生資源綜合開發(fā)利用，耦合多種傳統(tǒng)能源，按多能互補、集中優(yōu)化原則建設多源協(xié)調(diào)、多網(wǎng)融合的智慧能源微網(wǎng)，在能源站利用熱泵技術制取冷熱量，由功能管道網(wǎng)運送至各換熱站進行換熱，換熱后輸送至用戶末端，提供綠色、低碳、穩(wěn)定的冷熱供給。

此外，匯聚能源數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了園區(qū)能耗的統(tǒng)一可視化監(jiān)測管，為用能企業(yè)提供有針對性的用能建設，指導低碳園區(qū)建設。同時構建雙碳目標管理平臺，調(diào)整改善園區(qū)能源結構所產(chǎn)生的減污降碳協(xié)同效應，提高管理的科學性和精準性。獨角獸島數(shù)字孿生平臺智慧雙碳局部態(tài)勢如圖4 所示。

圖4 獨角獸島數(shù)字孿生平臺智慧雙碳局部態(tài)勢圖

2.3 園區(qū)全生命周期管理——“規(guī)、建、運”一體化管控

利用CIM 數(shù)字孿生技術實現(xiàn)對獨角獸園區(qū)的規(guī)劃設計、建造和運營全生命周期管理，基于數(shù)字孿生的規(guī)劃設計：從全局規(guī)劃設計的整體展示獨角獸島的設計亮點到外觀、環(huán)保及理念等多維度展示，實現(xiàn)數(shù)字孿生空間與現(xiàn)實空間同步規(guī)劃、同步設計；在園區(qū)建造模塊通過集成智慧工地子系統(tǒng)，實現(xiàn)建筑人員精細管控、生長進度推演以及BIM 指導施工，實時反饋獨角獸成長歷程；在園區(qū)運營模塊通過園區(qū)應急指揮調(diào)度、招商營銷、綜合安防及智慧交通等多維度的數(shù)據(jù)監(jiān)測分析，全面展示園區(qū)的運行態(tài)勢，降低人力成本，提高管控效率。

2.4 運營及盈利模式的創(chuàng)新——運營模式數(shù)字化轉型

在新的經(jīng)濟和商業(yè)模式下，企業(yè)對園區(qū)的設施和管理服務提出了更高的要求。園區(qū)的運營和管理模式已不再是簡單的空間運營管理，而是轉向多元化的運營服務模式。針對企業(yè)的痛點，提供個性化服務解決方案，吸引和聚集更多優(yōu)質企業(yè)，增加企業(yè)粘性。

對于提升園區(qū)品質，實現(xiàn)地產(chǎn)保值增值的需求[9]，首先對空間進行合理規(guī)劃，增加休閑及文化藝術的空間設施，同時利用智慧化的手段，為園區(qū)的招商運營、節(jié)能環(huán)保賦能。

數(shù)據(jù)逐漸成為園區(qū)的核心資產(chǎn)，數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理是獨角獸島智慧產(chǎn)業(yè)園區(qū)建設的核心抓手之一。把業(yè)務轉化為數(shù)據(jù)并數(shù)據(jù)資產(chǎn)存儲，打通系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通道，把數(shù)據(jù)資產(chǎn)真正利用起來，通過分析處理，建立基于運營邏輯的模型，為園區(qū)的日常運營管理提供決策支撐[10]。

3 結論與展望

基于CIM 技術的智慧園區(qū)的核心價值是通過數(shù)字化技術建立高集成度的數(shù)據(jù)閉環(huán)賦能體系，生成園區(qū)三維數(shù)字虛擬映像空間，全面感知獲取園區(qū)運行方方面面的動態(tài)信息，形成軟件定義園區(qū)、數(shù)據(jù)驅動決策和虛實交融的數(shù)字孿生園區(qū)雙體，使得園區(qū)服務、運行、規(guī)劃處設及管理這幾方面由實入虛，準確記錄、仿真、演化和操控，同時由虛入實，優(yōu)化物理空間中園區(qū)資源要素的配置，形成智慧園區(qū)建設和治理新范式。

（1）在技術方面，全面感知和泛在連接是智慧園區(qū)未來深度發(fā)展融合的重要技術支撐。通過感知連接、邊緣計算和云計算等技術，采集人機物事的狀態(tài)數(shù)據(jù)和業(yè)務數(shù)據(jù)，匯聚到智慧化平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務的融合及實時分析和決策?；贏I 的園區(qū)各項功能可以不斷適應、優(yōu)化和調(diào)整，使得園區(qū)生命體不斷演進和迭代，使得“主動服務”“智能進化”成為未來智慧園區(qū)的能力，將“以人為本、綠色高效、業(yè)務增值”作為未來發(fā)展的根本目標；

（2）在應用方面，園區(qū)的管理和運營實現(xiàn)智慧化是未來園區(qū)發(fā)展的必然趨勢。智慧園區(qū)監(jiān)控和管理決策系統(tǒng)建設，充分整合園區(qū)內(nèi)各信息化系統(tǒng)，實現(xiàn)人、物隨時隨地接入智慧網(wǎng)絡，獲取智慧園區(qū)資源利用、生態(tài)環(huán)境、園區(qū)安全、規(guī)劃建設、園區(qū)管理、能源管理及人員來訪的實時數(shù)據(jù)和信息。使用者足不出戶就能身臨其境地實時掌握操作園區(qū)環(huán)境、運營場景及基礎設施等的實時狀態(tài)和利用狀況，實現(xiàn)對園區(qū)實時動態(tài)的感知，提高園區(qū)管理水平和服務質量。

綜上所述，CIM 技術在智慧園區(qū)建設中具有廣泛的應用前景和重要的價值意義。基于CIM 的智慧園區(qū)在未來將更加注重數(shù)字化、網(wǎng)絡化和可視化的運營管理，同時將與城市的醫(yī)療智慧化、交通智慧化和農(nóng)業(yè)智慧化等方面相互融合，形成一個真正意義上的智慧城市生態(tài)系統(tǒng)，為人們創(chuàng)造更加美好的生活。