數字孿生在教學樓智慧運維中的應用

摘要：數字孿生是推動建筑運維管理數字化、智慧化的關鍵技術之一，將物理空間中的建筑實體在虛擬空間中進行模擬，實現物理空間和虛擬空間的雙向映射，是當下研究的熱點問題。本文在研究數字孿生理論的基礎之上，結合高校教學樓實際運維特點，建立三維建筑數字化模型，結合物聯網、大數據、云計算等技術為實現教學樓運維管理過程中信息融合、實時交互和閉環優化提供了一種新思路。

關鍵詞：數字孿生;智慧運維;平臺服務

1.數字孿生的概念及內涵

什么是數字孿生呢？首先要厘清“孿生體”的概念。在工業流水線下制造出來的產品“外觀相同、性能相似”，是可以保證“一模一樣”的，但若這些產品的使用環境不同、運行參數不一，其行為狀態也定然不同。所以只有通過數據的實時交互，保證兩種產品的行為和運行狀態同步才能稱之為“孿生體”，“數字”即數字化。

數字孿生以模型和數據為基礎，通過創建多維數字模型，借助數據模擬物理實體在現實世界中的行為，完成現實世界中物理實體至虛擬世界的鏡像化數字映射。通過虛實交互、實時反饋、決策迭代優化等手段，優化物理實體在現實世界中的行為，達到協同發展、優化控制的目的。[1]

數字孿生與模型構建、物聯網、仿真分析等技術存在著密切的關聯性，是多物理系統、多學科、多領域的融合;數據是其驅動所在，其來源主要分為兩部分：一是來自于感知層，即對物理實體及其所處環境信息的采集，通常依賴于傳感器等設備;二是來源自于系統內部的仿真數據，多是基于模型數據的模擬、仿真所產生的融合數據，兩者統稱為孿生數據。基于孿生數據驅動，物理實體和虛擬模型之間進行動態實時交互，實現雙向映射，在對相關數據進行推衍分析之后，預測物理實體的未來行為—這是數字孿生核心價值所在。

2.模型建立及相關技術融合

實現教學樓智慧運維的數字孿生應用，第一步構是建虛擬模型?；谀掣咝＝虒W樓施工圖紙和施組文件，利用Revit軟件進行教學樓BIM模型的創建，可實現將建筑物每一個構件的信息集中記錄于虛擬模型中，完成信息化處理。在這方面，北京航空航天大學陶飛教授提出的數字孿生建模理論體系[2]為我們提供了重要指導。

利用物聯網技術，通過在教學樓實體中布置攝像頭、傳感器、RFID設備等方式，利用多傳感融合技術實現感知層應用對教學實體及周圍環境的實時監控和深次層數據采集。在接收到感知層實時傳來的數據后，系統利用仿真技術對其進行模擬并將仿真結果實時反饋至應用層進行相關參數的調整，形成閉環優化。信息物理系統（CPS）的發展為實現這一目標提供了有力支持，基于CPS可實現“狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行”，進一步促進數字孿生系統的建設。

利用大數據處理技術可有效對物理實體運行中產生的海量數據進行分析處理，同時可構建高度逼真的虛擬環境來提高系統運行真實性;基于云計算“合理高效、大批量處理”等優勢，兩者均可為教學樓運維過程監控、仿真、預測等功能的實現提供技術支撐。

3.智慧運維平臺服務

數字孿生服務是數字孿生應用價值的具體體現，根據教學樓在運維過程中面臨的實際問題和具體需求可開發相應功能和服務。

通常教學樓運維面臨的痛點問題主要有以下幾個：

1.能耗浪費嚴重。教學樓室內的燈、空調等設備高負荷運行，有時是無效運行，不僅浪費能源還易造成設備壽命減少、性能降低。

2.數據孤島現象嚴重。數據割裂，不易實現跨系統調用，數據的價值被湮沒。

3.故障發生后難以快速定位，運維人員處理效率參差不齊。

4.被動式運維?！澳睦飰牧诵弈睦铩背蔀槌B，亟需改變。

平臺服務系統：

1.能耗管理系統。能耗管理系統能實時監測水、電、熱、氣等設備的運行狀態，相關數據經過模擬、仿真以及多次迭代優化之后以指令的形式下達至應用層，設備參數會嚴格進行調整以確保配置最優，實現對能耗的精細化管理。能耗管理系統下還有智能空調系統和智能照明系統等子系統能。

2.故障預測與健康管理系統。基于多傳感融合技術，在孿生數據的驅動之下對設備健康狀況進行分析評估并預測設備的可使用壽命。該系統充分地挖掘利用了數據的潛在價值，主動預測設備故障及進行快速定位，實現了由被動式運維向主動式管理的轉變，由靜態指標對比向動態實時交互的全方位狀態比對轉變。

3.消防安全管理系統。“一體聯動，跨層交互”是其最大特點。系統會根據火災大小制定出適宜的方案，在進行精準定位的同時，消防警報、噴淋設施、安全通道和備用電源等設備都會進入緊急狀態，由系統實施統一管控，確保人員安全和保護重要設備。

4.應用價值

數字孿生應用于教學樓運維管理可解決當下運維的痛點問題，提高運維的效率和質量，進一步實現優化控制。從國家層面來看，數字孿生為我國“智能制造”“智慧城市”以及工業互聯網智能化提供了基礎方法[3];從企業層面來看，數字孿生提高了一體化管控水平，大大降低了成本，做到了精細化生產。不難得出結論，建筑的智慧化發展是與國家戰略相符合、與時代潮流相趨同的，價值巨大，前景光明。

參考文獻：

[1]陶飛，劉蔚然，劉檢華，劉曉軍，劉強，屈挺，胡天亮，張執南，向峰，徐文君，王軍強，張映鋒，劉振宇，李浩，程江峰，戚慶林，張萌，張賀，隋芳媛，何立榮，易旺民，程輝.數字孿生及其應用探索[J].計算機集成制造系統，2018，24（01）：1-18.DOI：10.13196/j.cims.2018.01.001.

[2]陶飛，張賀，戚慶林，徐俊，孫錚，胡天亮，劉曉軍，劉庭煜，關俊濤，陳暢宇，孟凡偉，張辰源，李志遠，魏永利，朱銘浩，肖斌.數字孿生模型構建理論及應用[J].計算機集成制造系統，2021，27（01）：1-15.DOI：10.13196/j.cims.2021.01.001.

[3]工業數字孿生白皮書[EB/OL].中國信通院、工業互聯網產業聯盟.2021

作者簡介：申家恒（2000.8），男，漢族，河北保定人本科，學生，工程管理。