基于5G+BIM的智慧樓宇運營管理平臺設計與實現

中國聯通智能城市研究院 北京 100048

1 研究背景

自2010年“智慧城市”愿景提出并進入中國以來，我國政府高度重視并將其上升為國家戰略，各地智慧城市建設取得了豐碩成果[1]。2020年，政府工作報告首次提出“新型基礎設施建設”(簡稱“新基建”)，其中5G基建、大數據中心和人工智能等將成為城市數字化轉型發展的新動能，助力城市智能水平進一步發展躍升。在宏觀范圍城市智慧化建設規?；l展的同時，智慧城市發展的一個重要趨勢是空間場景逐漸從大中型城市向“微單元”下沉，樓宇、園區、社區等“城市微單元”作為城市的微觀縮影和功能載體，空間范圍較小、業務場景明確、管理職責清晰，更利于5G、物聯網、AI、大數據等前沿技術的集成應用落地，成為城市數字化轉型和智慧化建設的重要實踐[2]。

智慧樓宇是集成數字化技術、信息通信技術，開展建筑空間、智能設備、信息化軟件和一體化設計及應用，實現樓宇智能信息集成、設備優化控制和空間綜合管理[3]。目前智慧樓宇整體建設水平參差不齊，主要存在物聯設備不足、信息系統割裂建設、數據孤島現象嚴重、智能化水平不高等問題。BIM(Building Information Modelling，建筑信息模型)是對建筑物構件、幾何特征和功能特性進行三維參數化表達的新型數據模型[4]。BIM模型可為建筑物的規劃設計、施工建設和運營維護管理等階段，提供精細化三維數據模型資源，輔助建筑物全生命周期的智能化管理[5]。基于此，本文設計并研發了基于5G+BIM的智慧樓宇運營管理平臺，在BIM模型構建的樓宇三維空間底座基礎上，對接5G網絡的樓宇智能物聯設備和信息系統，融合樓宇運行數據，集成業務應用系統，打造場景化智能識別能力，實現智慧樓宇的態勢全面感知、問題智能識別、事件協同處置和決策輔助支持等功能，助力實現樓宇運行管理的降本增效，提升樓宇智能化水平。

2 智慧樓宇運行管理平臺研究

2.1 智慧樓宇運營管理平臺內涵

智慧樓宇運營管理平臺是樓宇的智能大腦，平臺融合5G、物聯網、人工智能、BIM、大數據等新技術，以樓宇BIM模型為三維空間基底，以數據驅動為內核，以智能感知為觸手，以智慧決策為目標，構建可視可管可控的智能管理決策中樞，實現樓宇人事物的一體化管理和管理業務流程的互聯互通，為樓宇的業務管理部門和物業管理單位提供全面的樓宇運行態勢可視化展示、資源的統一管理和內部各類事件的協同處置等服務，助力樓宇提升品牌經濟效益、服務管理效能和科學管理水平。

2.2 智慧樓宇運營管理平臺特征

1)場景全映射：基于樓宇BIM精細化三維模型構筑的空間基礎，結合二三維可視化技術，對樓宇建筑構件、外立面、空間結構、管網管線、地下停車場、智能設施等地上地下、樓內室外等全空間實體進行數字建模和可視化呈現，同時建立數據驅動的場景更新機制，實現樓宇場景的高保真還原和全面映射。

2)態勢全感知：通過融合樓宇5G+物聯感知設備的部署和內部垂直子系統的數據，平臺將樓宇感知的顆粒度細化到樓內的細分空間、單體設備和人員個體，以三維場景為空間承載，全景展示、監測園區的綜合態勢及各項細分領域運行狀態。

3)數據全融合：打造樓宇數據中樞，突破樓宇內部各子系統的數據孤島，通過樓宇運行數據的全量整合和交叉互聯，為管理者提供更加全面客觀的樓宇運行的數據依據。

4)業務全可管：平臺運用企業級系統集成技術，打破樓宇各業務部門和各垂直系統之間的界限，打通系統之間的數據接口和信息接口，形成“感知觸發—大腦指揮—系統執行”的事件處置流程，形成樓宇事件快速響應、協同處置的業務閉環，進一步提升樓宇整體協調總控和綜合統籌管理能力。

5)能力可擴展：平臺具有可靈活拓展的特點，在樓宇應用的基礎上，進一步與GIS結合，可為園區、社區、小鎮、樓宇、商業街等相關“微單元”場景提供綜合管理應用。

3 平臺設計與技術實現

3.1 用戶及需求分析

智慧樓宇運營管理平臺的主要用戶包括：物業管理人員、樓宇管理單位行政人員、高層領導和系統管理員。在平臺設計之初，深入開展需求調研工作，了解各類用戶對平臺的理解和期望。

1)物業管理人員。物業管理人員直接負責樓宇運營維護，對平臺的主要需求是全面、實時掌握樓宇內部空間和設施的運行狀態，尤其是希望第一時間獲知樓宇內部突發事件和異常情況，并協同各業務系統和部門開展事件協同處置，要求平臺具備態勢精細化感知、事件智能感知預報和協同處置等功能；同時物業管理人員希望平臺在設備設施維護管理方面提供指導，要求平臺在設施管理方面加強數據獲取和分析能力，提供相關數據決策建議。

報應觀主張是刑罰存在的正當性根據。實施刑罰一方面可以平復被害人及其家屬的氣憤心理，另外一方面可以滿足社會群眾的公憤心理，最終滿足整個社會的報應訴求。報應訴求不僅是一種情感上的需求，更是一種安全需求與公正需求。對于民眾而言，當殺人者被處以死刑時，不僅意味著民眾的氣憤心理得以抒發，也意味著社會上少了一顆“毒瘤”。通過剝奪他人的生命使其不復存在，從而永久地保障社會秩序的穩定；通過死刑的執行，也使得公正得到最切實的貫徹。

2)樓宇管理單位行政人員。樓宇管理單位行政人員負責整體了解樓宇運行狀態，并對樓宇安防、設施、能源、環境、停車、招租等各方面情況進行周期性數據匯集分析，要求平臺具備數據集成管理、統計分析和自動等功能；同時，行政管理人員需要通過平臺，發現樓宇管理工作的業務痛點和薄弱環節，作為管理水平提升的參考，要求平臺針對業務需求進行更深入的數據分析挖掘，在樓宇空間優化、節能減排、人員管理等方面提供高層次數據分析結果，輔助樓宇管理的統籌動態調度。

3)高層領導。高層領導期望平臺作為樓宇的形象展示窗口，展示現代化樓宇的智慧化水平和品牌價值，要求平臺具備較高的可視化水平和三維特效能力。同時，高層領導需要通過平臺，全面了解樓宇運行實時狀態，一圖掌握全局，要求平臺提供綜合態勢總覽、數據駕駛艙等功能。

綜上所述，各類用戶及需求如表1所示。

3.2 平臺架構設計

基于需求分析成果的分析與歸納，按照“統一規范體系、統一安全標準、統一集成平臺”的基本思路，構建智慧樓宇運營管理平臺總體架構，包括數據集成平臺、應用能力平臺、AI使能平臺和業務可視化平臺，如圖1所示。

表1 用戶及需求分析匯總表

平臺采用前后端分離的架構設計：前端采用Vue框架搭建，部署時使用Tomcat進行發布；后端采用ASP.NET Core搭建和發布服務；前后端都支持跨平臺運行；數據庫系統采用MySQL。

3.3 BIM模型可視化應用

平臺開發采用B/S架構，以開源Web 3D技術Three.js構建可視化展示和交互操作框架。在Three.js中，基于3個基礎組件：場景(Scene)、相機(Camera)和渲染器(Renderer)，完成繪圖、相光源、加載器、紋理、材質和動畫特效，進行三維場景的開發[6]。BIM模型格式眾多，需要進一步進行數據輕量化處理、格式轉換和結構優化處理，并保證數據的完整性和一致性，使BIM模型能夠應用到Three.js技術框架，并提供良好的可視化效果和流程的加載效率。

圖1 智慧樓宇運營管理平臺架構設計

圖2 BIM模型可視化應用流程

3.4 數據集成子系統

數據集成子系統是智慧樓宇的核心數據資源池，打破設備和系統間的數據孤島，匯聚智慧樓宇內部多源異構的運行數據，并按照統一的數據標準，進行數據加工處理，形成規范化體系化的數據結構，以數據服務的方式按需提供給智慧樓宇運營管理平臺和其他垂直系統。數據集成子系統匯集的數據包括二三維空間數據、樓宇基礎數據、樓宇物聯設備的感知數據和垂直系統的業務數據。二三維空間數據包括樓宇BIM模型、樓宇CAD數據等，作為智能運行管理平臺的空間底座?；A數據包括樓宇內人員、設備、資產等準靜態數據，該類數據在一定周期內不變或者發生極少變化。物聯感知設備的數據包括攝像頭監控視頻、煙感、溫濕度傳感器、智能水電表、門禁、閘機等監測感知數據，數據更新頻率高，通信網絡包括4G、5G、NB-IoT、Zigbee、Wifi、Lora等。垂直系統的數據包括樓宇自控、安防監控、空間管理、會議室管理、OA系統、智能餐廳等業務數據，按照系統業務特征，合理設置數據采集對接的周期和方式。

數據集成子系統提供數據接入與匯聚、數據清洗、數據管理、數據共享交換以及數據算法支撐等能力，對樓宇各類數據進行抽取、裝載和清洗，并對多源異構數據按照統一標準進行格式轉換，并建立數據關聯映射關系；形成空間數據庫、基礎數據庫、業務數據庫、IoT數據庫、統計數據庫、元數據庫等各類主題數據庫，支持數據增刪改查、檢索、導航等管理功能；支持系統間的數據共享交換，提供數據算法能力，支持各類數學分析模型算法，為樓宇數據的統計分析和深度挖掘提供技術支撐。

3.5 業務使能子系統

業務使能子系統提供智慧樓宇運行管理平臺運轉的基礎能力。GIS引擎和BIM引擎，能夠支撐地理信息和建筑模型信息的加載、處理、展示和空間分析?？梢暬?，提供設計組件和圖表控件，對建筑三維模型、GIS地圖進行渲染，并實現三維場景特效，同時支持常用的數據圖表、圖形、關系圖譜等組建，將樓宇運行動態、靜態以及空間、統計等多類數據進行融合分析和展示，增強數據的可讀性和可視化的美觀性，支持二三維一體化展示和聯動交互。消息總線、規則引擎、流程引擎等，提供服務統一集成、調度與管理能力，保障系統間有序的協調聯動。統一身份認證實現對用戶管理、用戶認證、單點登錄、權限管理等功能。

3.6 AI應用子系統

圍繞樓宇智能感知、智能分析業務場景，打造場景化的AI圖像智能識別能力引擎，為智慧樓宇運營管理業務注入AI智能識別、感知和預測的能力。子系統支持對靜態圖像和動態視頻數據的識別能力，包括人臉識別、行為識別、火情識別、人數統計、車輛特征識別等場景，并將場景化識別能力封裝成視頻分析服務，供系統調用。

3.7 業務可視化子系統

智慧樓宇運營管理平臺包括運行態勢感知、物業服務保障、事件調度指揮、決策分析輔助四大模塊，功能體系如圖3所示。

1)運行態勢感知

運行態勢感知功能，在樓宇BIM構筑的三維模型基礎上，將樓宇內部物聯設備和業務系統數據與空間掛接，并基于樓內的5/4G、wifi等網絡實現樓宇運行數據的實時高速傳輸，集中展示樓宇時空多維運行態勢，從安防、環境、能耗、停車、人員等多方面監測樓宇運行狀態，提供實時監測數據、實時報警提醒、歷史數據查詢等，幫助管理者實時掌握樓宇運行動態，根據運動動態安排服務和管理工作，針對出現的問題采取合理的措施，確保樓宇內的良好環境和秩序。以停車場實時監測為例展示運行態勢感知功能，如圖4所示。

2)物業服務保障中心

圖3 業務可視化子系統功能框架

物業服務保障功能是針對樓宇運行和管理最基礎的需求，BIM模型可反映樓宇內部精細的空間布局、設施設備和重要資產的分布，結合動態監測數據，保障樓宇基礎設施的正常運轉，滿足樓宇空間規劃、布局、分配及動態調整的需求，確保重要資產的安全性。物業服務保障功能包括空間管理、資產監視、設施監控?？臻g管理監控樓宇內工位、展廳、餐廳、會議室的利用情況，以日、周、月、年為周期統計分析空間利用情況，分析各類空間占用的規律。資產監視針對樓宇內服務器、精密儀器等大型、重要的設施，結合RFID和AI識別技術，監控資產分布位置，當資產發生異常位移或出樓現象，平臺會即時報警并傳送至相關人員處置。設施監控功能如圖5所示，對樓內攝像頭、電梯、空調、水泵等設施的運行、保養和維修等情況進行監控和分析，形成設備保養日歷，可按周期自動提示物業人員進行特定設施的維護，分析設施故障率，優化設施采購維護方案。

3)事件協同處置

事件協同處置實現事件的智能識別、定位分發、跟蹤、回執、分析等，如圖6所示。樓宇內事件從大類上劃分可包含常態事件和應急事件，常態事件是指設備的巡查養護、周期性維修等有計劃性和規律性的事件，應急事件是指諸如異常人員入樓、設施突然損壞、感知設施報警等事件。當樓宇發生事件后，平臺可利用閾值告警和AI智能識別等方式，自動識別事件類型，并快速完成事件在BIM模型上的空間定位和屬性掛接。平臺依靠業務使能子系統提供的服務統一集成調度能力，實現事件協同的處置流程，將事件同步發送到物業人員及其他相關管理人員A P P 或手機短信中，待事件確認后，平臺可按預案設定或人工選擇，將聯動處置指令或控制指令發送各子系統和設備，并跟蹤事件處理進程，形成事件一體化快速處置的業務閉環。

4)決策分析輔助

決策分析輔助功能針對樓宇管理和運行維護中的痛點問題，如能源利用浪費、空間布局不合理等，為管理層決策提供數據依據。它基于大數據的積累，利用數據集成平臺提供的算法模塊，結合BIM模型的空間分析能力，進行時空數據挖掘和數據建模，可以從數據層面診斷和預測樓宇存在的各項問題，給出優化建議。決策分析輔助功能目前在空間規劃輔助和能耗優化輔助方面，開發了數據分析建模和優化建議功能，后續可針對樓宇其他問題進一步建立數學分析模型。空間規劃輔助功能針對樓宇內部工位資源緊張問題，通過分析工位的利用效率，優化工位使用策略，核算流動工位與固定工位比例，提升工位利用的敏捷性和效率。能耗優化輔助功能通過對設備和空間的用能分析，發現高能耗設備和高能耗區域，優化設備采購和維護保養策略，核算節能效果，設計樓宇節能遠景方案，如圖7所示。該功能提供領導決策駕駛艙與樓宇運行關鍵指標(KPI)，為高級領導和樓宇行政管理人員全面了解樓宇運行情況、分析運行規律提供全景數據視圖。

圖4 停車態勢功能頁面

圖5 設施監控功能頁面

圖6 事件協同處置功能頁面

3.8 建設效果分析

本文設計的智慧樓宇運營管理平臺既包括標準化軟件產品部分，也可根據客戶的實際需求進行新功能的定制化設計及功能開發，并具備向高科技園區、高端商業街等場景平滑演進的能力。平臺已在北京某辦公樓、浙江杭州某步行街區實現了項目落地，技術可行性和功能性能可靠性已經過一年的實踐驗證。通過對平臺應用案例的分析，平臺可實現基于5G的海量物聯設備連接和數據傳輸、基于高精度三維模型的樓宇態勢的直觀可視和基于數據集成的全業務要素展示，從而讓管理者系統掌握園區整體業務情況；打破傳統樓宇信息化中各類獨立建設的業務子系統之間的數據孤島和業務壁壘，可以實現跨系統、跨業務、跨部門的事件處理、設備控制、業務聯動，提高樓宇智慧化管理效能；可基于大數據分析和智能算法對樓宇狀態進行科學預警和研判，提前給出預測預警，提升科學決策水平。經過項目的運行效果分析，產品可為用戶提升樓宇管理效率約15%，降低人工運營成本約20%。

4 總結與展望

本文對智慧樓宇綜合管理內涵與特征進行了研究，詳細分析了智慧樓宇相關用戶方和業務需求，提出了一種基于5G+BIM的智慧樓宇運營管理平臺架構設計、功能設計和實現方案，重點驗證了BIM模型在智慧樓宇運營管理平臺可視化應用的技術路線。平臺成果已在部分城市的地標建筑、高端商務樓宇等實現了落地應用并經實踐驗證，通過平臺建設，可有效提升樓宇、街區等“城市微單元”的智慧化管理水平，實現降本增效。

圖7 能源優化功能頁面

隨著新基建工作的深入推進，5G、AI、大數據等技術的發展，BIM和CIM技術進一步普及，物聯感知水平和數據傳輸能力與效率能力將不斷提升，智慧城市將進一步向更高級的數字孿生城市演進，城市的管理將從宏觀大場景進一步向精細化的微單元層面下沉?；诖?，智慧樓宇的市場將進一步發展擴大，智慧樓宇運營管理平臺的需求將進一步增加，平臺將發揮建筑物大腦的作用，持續提升數據匯聚、智能感知、應用融合、智能控制、仿真推演和決策輔助等方面的能力，實現數據驅動智慧運營，助力樓宇智能化高速發展。