基于BIM的3D可視化智能管控平臺的研究和應用

劉寶華

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基于BIM的3D可視化智能管控平臺的研究和應用

劉寶華

（連云港杰瑞深軟科技有限公司，江蘇 連云港 222006）

目前，對建筑物的集中管控已經成為當前智能建筑的大趨勢，尤其在大型安防工程、物聯網、能源管控項目中，要實現數字化、集成化顯得尤其重要。然而，現階段多數智能建筑的信息管理都獨立存在，形成一個個信息孤島，難以發揮各系統應有的潛在能力，無法對決策者提供強有力的輔助支撐，因此隨著監控大聯網時代的到來，平臺級的互聯互通，開放、融合、可視的監控平臺軟件成為發展的必然。

BIM；可視化；CMM3；數據庫

0 引言

隨著智能建筑系統的復雜化，管理者對能源、安防、運維的要求不斷提高，希望在同一個平臺解決絕大多數問題，另外在顯示效果方面要求直觀、身歷其境。因此，報警、環境監測、門禁、GIS、智能識別等傳統獨立型安防、能源運維軟件功能欠缺，根本無法做到面面俱到，無論信息點和控制點都無法建立聯動關系，難以實現跨系統的控制流程、事件綜合處理，空調系統、電梯系統、照明系統等傳統上各系統自成體系工作，由于數據結構、通訊格式的不同，集成系統無法采集所需的資料，另外普通集成系統還局限于傳統的數據界面，缺少基于BIM的3D可視化，界面不夠生動直觀。而隨著監

控大聯網時代的到來，平臺級的互聯互通，開放、融合、可視的監控平臺軟件成為發展的必然。

1 基本BIM的可視化平臺引用

1.1 BIM可視化平臺的概念

BIM（Building Information Modeling，建筑信息化模型）是一個建筑物模型和數據信息的完美結合體。在設計和施工階段，通過BIM建模不僅僅為設計者提供了平面圖紙無法實現的逼真模型，還提供了大量的信息的存儲。同時，還為開發商在前期提供了直觀的視覺感受，并為建筑方案的選型提供數據支撐，因此BIM的應用在國內取得了長足的發展。在建筑物的監測和后期的運維中，BIM的應用也越來越廣泛，尤其在3D可視化軟件的開發中，BIM模型為三維顯示提供的良好的模型基礎，同時為運維管理提了大量數據信息，如建材、廠家、價格、能耗、狀態等，這些數據可以為決策者提供目標導向，從而改善整個建筑物的管理和運營水平。

3D可視化智能管控平臺集數據采集、數據整合、數據分發、設備監測與控制、數據顯示于一體，是整個園區或建筑物管控的核心。首先利用分布式網、開放式的系統接口，將安防、供配電、照明、停車、電梯、給排水等系統和設備參數采集到服務端，在根據訂閱分發將各系統的監視、控制、管理功能集成到一個綜合信息管理軟件，建立起互聯互通、開放、融合的管控平臺。再通過BIM建立起整個建筑物甚至是整個園區的模型，最后利用三維引擎驅動BIM模型，建立起3D可視化的智能、集中管控平臺。這樣不僅僅能保持各子系統的相對獨立性，更能給管理者提供一個統一的用戶界面、三維的視覺沖擊、集中的管理方式，最終實現綜合信息的高度集中和共享，為用戶對建筑物和園區的監控、運營提供有力的管理手段。

1.2 基于BIM的3D可視化平臺的應用

基于BIM的3D可視化智能管控系統總體目標就是建立一個信息共享、集中管控、BIM動態建模、三維驅動的管控平臺，同時提供開放接口、為后期運維提供擴充性。也就是通過系統實現建筑物內空間設備、子系統、能源消耗等信息資源的采集，并利用采集的信息經過相關的智能算法對各種數據進行挖掘、篩選、整理和優化，達到對各子系統和設備的監視和控制，并在子系統之間實現數據的共享和突發事件的聯動，為建筑物的各級管理者合理管理提供決策支持，另外考慮到合理的投入及未來需求的擴充，該系統可以經過相應的改變延伸到智慧園區、智慧船舶等領域。

2 關鍵技術

2.1 集中監控管理技術

基于BIM的3D可視化智能管控平臺的集成服務，由業務基礎平臺和實現業務邏輯的業務組件組成。其中業務基礎平臺脫離管理業務，與具體的智能管控業務無關，只為業務間向導和驅動提供支撐。業務構件是實現業務邏輯的基本單元，提供原子級的業務應用服務，可以由平臺中的流程服務管理（BPM），將各種服務編排成滿足各種業務需要的業務應用。業務基礎平臺以微內核為核心，構建了基礎組件庫、元數據資源庫、業務構件服務、流程控制服務、界面展示組件服務等通用服務組件，并且提供了集成的開發和維護環境。

3D可視化智能管控平臺集數據采集、數據整合、數據分發、設備監測與控制、數據顯示于一體，是整個園區或建筑物管控的核心。首先利用分布式網、開放式的系統接口，將安防、供配電、照明、停車、電梯、給排水等系統和設備參數采集到服務端，再經過相應算法對數據進行整理、統計、分析，將最終信息發布到總線，最后根據應用系統訂閱的信息類型獲取數據。系統集中監控的主要目標是達到數據集成、流程集成和界面集成。其中數據集成主要通過微內核和元數據建立統一的數據庫設計和標準的數據接口，使數據在各子系統內部和子系統之間進行無縫對接；流程集成主要通過流程服務管理（BPM），實現的輕量級業務流程引擎，在自定義流程時支持順序、分支、人工選擇等模式，實現子系統間的流程跳轉；界面集成通過界面服務和基礎組件庫來實現各子系統的界面集成，使平臺界面統一、操作便捷。

2.2 全局事件和預警管理技術

系統利用通用視圖組件技術進行人機接口設計，為客戶端軟件提供人機界面及其圖元的設計和編輯，通過組件開發技術逐步擴展通用視圖組件工具，再通過配置界面實現相應的頁面，并生成XML文件，由客戶端軟件進行解析，除了實現良好的UI設計外，圖元再與服務端的變量進行關聯，圖元組件可以綁定相應變量和事件，并訂閱相關信息，當設備參數發生超過閾值的變化時，圖元關聯的動畫和事件將被觸發，對服務端數據的變化做出響應，包括聯動事件、報警事件等，每個事件定義唯一的事件標識，雖然單個事件處理過程是獨立運行的，但每個事件處理過程都需要一個觸發條件，當需要系統聯動的突發事件發生時，可以通過全局事件將各子系統私有事件進行關聯，并根據預先設置好的觸發方式和順序，逐個觸發相應子系統事件，這樣達到對區域內的各類事件有效的全局管理，從而達到跨系統事件的聯動以及各系統之間的協調與合作，提高系統對突發事件的處理能力和系統智能化水平，減少由于人工操作失誤帶來了危害和損失。

此外，該平臺具有設備的調度功能，可以對某些設備的啟停時間、流量大小等參數進行自動設定，主要考慮設備的負責均衡、運轉最佳效率、節能環保等因素，通過歷史經驗對某些設備設定相應策略，如對建筑物照明系統，根據上班、下班、節假日設定節能策略、最佳啟／停時間控制策略等，自動控制照明系統開啟和關閉的時間、數量等，以達到在滿足用戶使用要求的前提下實現節能環保的目的。

2.3 3D可視化技術

系統3D可視化技術以BIM建模為基礎，通過三維引擎驅動BIM模型，從而建立一個建筑物的虛擬空間，在這個虛擬空間中，將各個子系統、各個設備、各條線路按實際位置映射到建筑物3D視圖模型中，并以第一視角對智能設備進行監測、控制和管理，給人一種身臨其境的感覺。另外，實現突發事件時的二三維聯動，在發生報警事件后平臺收到報警信息，在二維列表信息以及3D可視化頁面中會提供不同方式的報警信息，當消警后，3D可視化中的模型需要接收相應信息，對模型中的對象狀態進行修改。

由于該系統平臺采用的BIM建模工具為Atuo-Desk Revit，使建立的模型內容更加豐富，處理包括模型文件外，還存儲更多的運維信息，另外也可以考慮時間因素來推動模型的四維發展，但要使模型文件與系統相結合達到3D可視化效果，還需要做更多的工作，其中最簡單的辦法就是通過Navis-works二次開發，利用Autodesk.Navisworks.Api實現3D模型中對象選擇、縮放、平移、動態視察、定位、漫游、度量、隱藏等功能，也可以實現漫游功能，在漫游模式中，可以模擬人行走的穿行路線，由表及里，由外而內，漫游建筑模型各個角落，實現對各個設備的操控，產生身臨其境的感覺。

2.4 BIM模型多維存儲與優化

BIM的設計理念在于數據的組織方式，而不僅僅是傳統模型的三維概念。在BIM建模過程中，將大量的數據信息存儲于模型文件中，而這些數據信息的組織方式將直接影響模型的應用，因此要對這些數據進行多維存儲和優化處理，從而達到項目或設施的信息共享，為3D可視化軟件提供模型和數據支撐。因此，BIM模型的信息化手段能夠在智能管控平臺的全生命周期過程為管理者在運營中提供豐富、詳盡的決策依據，從而提升智能監測與控制的管理水平。

在該項目BIM建模過程中，通過基于“族”進行參數化建模，將將建筑物內的設備型號、所屬系統、位置信息、生產廠商、采購價格、使用年限、出廠信息、責任人等關鍵信息錄入到BIM三維模型中，方便管理人員快速及時的找到所需的具體位置，為系統平臺后續的節能管理和運維管理提供強基礎數據，但這種數據的存儲只能以靜態存儲為主，尤其在運行過程中實時狀態的反應數據，無法反饋到模型中，難以面面俱到，因此需要對數據的組織和資源進行整合，實施多維存儲與優化，在每次設備變化或狀態改變時，將實施動態數據存儲到數據庫中，這些存儲叫做設備動態信息庫，包括通過歷史數據對設備運行狀態的預測、預警信息等，為了達到數據的多維存儲和優化，要考慮兩個方面的問題：一是對數據的分類存儲，區分哪些數據是靜態數據，哪些數據是動態數據；二是要建立數據映射關系，即模型中數據文件與數據庫中的數據信息相關聯，確保當狀態變化時，能夠獲取或改變模型動態屬性；三是優化存儲，提高數據利用效率，主要建立增項信息表來實現，當模型中的設備ID映射的動態數據改變時，在增項信息表中建立相關索引關系。

3 基于BIM的3D可視化平臺的實現

智能管控平臺軟件主要分為服務端軟件JARI-Server、視圖設計軟件JARIDesig和客戶端軟件JARIClient三大部分，另外提煉出公共的系統功能模塊或者單元，并以DLL庫文件的形式單獨開發，提高軟件系統的模塊化設計水平，這樣既有利于程序編寫又有利于版本管理。組態軟件系統通過主程序框架對DLL庫的調用，實現了程序模塊的結構設計，有利于程序的管理和擴展，及版本管理。其中，服務端軟件可與各子系統的設備進行通訊，可對實時數據進行管理，并向客戶端軟件提供實時數據服務，JARIDesig視圖設計軟件被用戶編輯組態后，可存儲成一個工程文件，該工程文件可被JARIDesig組態設計軟件再次打開和編輯，而JARIClient客戶端軟件通過加載組態開發環境存儲的工程視圖文件，向服務端請求實時數據，完成集成監控。當有數據存儲時，服務端可將數據存儲到歷史數據庫，客戶端軟件可對其進行歷史數據的查詢及分析處理。

3.1 應用框架設計

基于BIM的3D可視化智能管控平臺中涵蓋了相關的標準規范體系、信息安全體系、運行維護體系，以及基礎層、數據層、支撐層、應用層等方面的建設內容。基礎設施層包括變配電、給排水、暖通空調、電梯、照明等，通過數據層的數據采集、清洗、轉換和加載，生成系統運行所需的基礎支撐數據、設備運行數據、業務數據和運維數據，并存儲到相應的數據庫，支撐層提供數據交互共享、應用支撐中間件、訂閱分發和業務協同服務，為系統提供界面、數據和流程的集成，最后通過前臺應用層顯示各系統運行狀況、集中控制、視頻監控、報警、3D可視化、能耗管理、運維管理等功能。其中總體框架如圖1所示：

圖1 基于BIM的3D可視化平臺的應用框架

3.2 BIM建模

模型需要存儲的信息主要依托于模型的應用方式、軟件功能需求、數據庫設計等因素，當確認數據的詳細信息后，以信息化、數字化為依托，將這些數據在建模過程中進行多維存儲，從而指導各階段的相應工作。

智能管控平臺主要通過AutoDesk Revit軟件進行BIM模型的建立，并在建筑物模型內部仿真模擬出所有智能設備的真實信息，包括位置、狀態等，具有可視化，協調性，模擬性。再通過AutoDesk Navisworks導出Nwd格式，導入到智能管控平臺，基于Navisworks驅動實現3D可視化效果。

3.3 服務端軟件

服務端軟件核心內容是對智能化設備數據采集、數據處理、數據記錄，由于智能化設備的各自差異性，必須設計一個共性的數據模型。為此軟件設計了通道、控制器、變量三個關鍵類用于建立智能化設備統一對象模型。對設備采集的參數可以與具體變量進行關聯，當設備在運行時，智能管控平臺需要顯示設備的不同狀態，有的情況還會做出相應的反饋，包括連鎖事件和報警燈，從而達到系統的智能化。變量可以通過控制器實現對智能設備的控制以及數據的反饋，通過設置事件和報警的條件，當變量達到設定的閥值時，就會觸發相應的事件或者報警，其中包括變量描述、觸發事件、連鎖動作、連鎖視頻、發送短信等內容。

3.4 客戶端軟件

根據最終用戶體驗效果，將客戶端軟件設計為兩部分，一部分是二維展現和操控，另外一部為三維展示和操控，考慮操作的便捷，主要操控在二維界面中，三維以展現和聯動為主。基于BIM的3D可視化并非孤立顯示，而是與平臺各子系統數據實時交互，并根據報警以及自定義事件進行聯動，但平臺收到報警信息后，在二維列表信息以及3D可視化頁面中會提供不同方式的報警信息。在二維界面設計中，每個設備都需要建立唯一的標識，作為屬性和事件的響應對象，但由于3D模型文件時通過Revit、Navisworks生成，其中模型文件中的唯一標識ID是軟件自動生成，在后續過程中不能手動修改，所以必須要建立一張二三維對象的映射表，從而實現二三維之間的聯動。

3.5 通用視圖設計軟件

通用視圖設計軟件為用戶UI設計提供視圖開發手段，并在完成視圖設計的同時，建立數據的通訊通道，為客戶端組件與服務端變量進行關聯，主要提供用戶畫面、圖元組件、事件設置、聯動設置等功能，從而簡化客戶端軟件的開發。該軟件核心內容是采用.NET2.0引入的DesignSurface類，實現了一個類似于VS2008的自定義設計器，在該設計器中，以插件的形式提供基本控件、工業控件、高級控件和常用圖形等組件，這些分類可以在應用過程中逐步豐富，通過這些積累的控件，提供頁面的整體設計。

4 結論

基于BIM的3D可視化智能管控系統總體目標就是建立一個信息共享、集中管控、BIM動態建模、三維驅動的管控平臺，同時提供開放接口、為后期運維提供擴充性。也就是通過系統實現建筑物內空間設備、子系統、能源消耗等信息資源的采集，并利用采集的信息經過相關的智能算法對各種數據進行挖掘、篩選、整理和優化，達到對各子系統和設備的監視和控制，另外考慮到合理的投入及未來需求的擴充，該系統可以經過相應的改變延伸到智慧園區、智慧船舶等領域。

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Research and Application of 3D Intelligent Management and Control Platform Based on BIM

LIU Bao-hua

(Lian Yun Gang Jari Deep Soft Ltd, Lian Yun Gang Jiang Su 222006, China)

At present, the centralized control of buildings has become the current trend of intelligent buildings, especially in large-scale security projects, Internet of things, energy control projects, to achieve digital and integrated is particularly important. However, the information management at this stage the majority of intelligent buildings are independent, forming islands of information, it is difficult to play the potential ability of the system should provide strong support to assist, policymakers, so with the advent of the era of network monitoring, interoperability platform, open integration, visual monitoring platform software become inevitable.

BIM; Visualization; CMM3; Data base

TP39

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.08.016

劉寶華(1980-)，男，南京理工大學軟件工程碩士，高級工程師，高級項目經理，主要研究方向軍民融合、軟件工程等方向。

本文著錄格式：劉寶華. 基于BIM的3D可視化智能管控平臺的研究和應用[J]. 軟件，2018，39（8）：74-77