基于BIM的數字孿生是智慧園區建設的必由之路

貝正其，貝思伽，王帥

（1.寧波方太廚具有限公司，浙江 寧波 315336；2.浙江大學建筑設計研究院有限公司，浙江 杭州 310007）

0 引 言

近幾年，智慧城市的概念頻頻出現在大眾視野中，許多地方政府提出了打造智慧城市的目標，雖然我國的城市化和城鎮化建設成績斐然，然而智慧城市的成功案例并不多，老百姓關心的交通擁堵、停車難、看病難、上學難、就業難等老大難問題似乎并沒有得到明顯改觀。特別是在新冠病毒肺炎疫情出現之后，不少城市在溯源排查、疫情管控過程中仍然采取了簡單粗暴的一切刀做法，不僅投入巨大、收效甚微，還導致老百姓怨聲載道，主要原因還在于城市建設和管理的智慧化程度不高。可見，打造智慧城市并不是一朝一夕的事，應當從大處著眼做好規劃，從小處著手抓好落地。智慧園區是智慧城市的縮影，打造智慧城市必須以建設智慧園區為落腳點。

文章結合方太集團總部園區建設的項目實踐，對智慧園區的功能要求、總體框架和技術實現路線做了概括闡述，供業內同行參考。

1 智慧園區的概念與特點

傳統的智能建筑和園區信息化系統普遍存在以下問題：一是各個部門、各個應用系統獨立建設，條塊分割、結構雜亂、缺乏統一規劃和標準，帶來的結果是信息孤島化、碎片化嚴重，各個部門、系統的數據只能在本系統和有限的范圍內使用，很難實現數據融合和共享；二是由于信息系統未實現集約化管理，通常有多個運行管理平臺，如自動化辦公系統、消防監控系統、樓宇控制系統等往往各成體系，互不相通；三是系統提供的數據展示方式相對單一、枯燥，缺乏立體感、動態感和場景化，數據的運用效果在很大程度上受到個人的專業水平、經驗、理解、判斷能力和精神狀態的影響；四是在數據的采集、傳遞和處理方面，雖然依靠設備或系統本身的應用軟件，能夠在一定程度上實現樓宇設備、消防、監控系統的自動調節、能耗分析和自動辦公管理等功能，但不具有自我學習、數據融合和轉化優化的能力。

園區是由許多不同功能的建筑群所組成的整體，其管理范圍不僅包括土木建構筑物，也包括園區內的各種基礎設施、管理設施、網絡系統和人流、物流、信息流等各種有形、無形的資源。智慧園區的概念，本來并無統一的定義，隨著科技的進步，人們對智慧園區的理解也在不斷發生變化。筆者認為，智慧園區不同于傳統的智能建筑群，也不是智能建筑群的簡單復制和疊加，智慧園區的實質是一個綜合性的平臺，結合當下的技術發展現狀，智慧園區應當至少具有以下功能和特點。

1.1 信息集約化

智慧園區的所有信息，包括地理信息、建筑物信息、空間信息、環境信息、設備狀態信息、能源信息、能耗信息、物流信息、人流信息、交通信息、監控信息、安防信息、故障信息、異常信息等等都需要進行集約化管理，由各個系統將檢測、感知、采集到的數據，按照統一的數據標準和協議上傳至智慧園區綜合管理平臺（IOC），實行統一分析、管理、監控、預警和調度。

1.2 數據平臺化

隨著大數據、云計算、虛擬化技術的發展，智慧園區建設必須向著大平臺的集中建設部署方式轉變，企業的數據化轉型和統一數據平臺建設也是必然趨勢，以往的多平臺并行模式將逐漸退出歷史舞臺。統一的云計算、云存儲和綜合管理平臺的建設和應用，一方面可以加快園區整體信息化建設的步伐；另一方面，可以有效提高信息系統的使用效率；同時，能夠將眾多應用系統實現數據匯聚、融合、共享，為園區智能分析與決策提供更多的信息保證。

1.3 管控可視化

智慧園區應當能夠將建構筑物、地下管網、水泵系統、供配電系統、水電氣管線、空調機組、暖通風管、電梯設備等的物理位置、空間關系、運行工況和室內外環境溫濕度、各種傳感器信號、物聯網信息等這些本來十分復雜、抽象和枯燥乏味的海量數據進行融合、轉化和處理，并利用數字孿生、虛擬現實和CNN卷積神經網絡等技術，實現數據的可視化和場景化展現，并以三維、動態、實時方式直觀展示。

1.4 響應智慧化

隨著機器人、人工智能、機器學習和DNN深度卷積神經網絡技術的發展，智慧園區應當突出其“智慧”能力，智慧園區綜合管理平臺（IOC）應當不僅具有對各類數據進行融合、分析和協同處理的能力，還要有對數據進行深度發掘和學習的能力，能夠利用數據進行跨部門、跨系統的協同聯動、快速響應，以及為園區管理者提供決策輔助等。

1.5 運行低碳化

智慧園區的規劃和設計必須從建設、運營直至報廢整個生命周期來考慮，不再局限于某個階段和某個專業領域的建造成本，特別要重視園區整體的運行成本和消耗，運用各種感測和控制技術，通過數據化、平臺化、智慧化設計、計算、控制和管理，實現園區各個系統的協同、高效、最優化運行和低碳或零碳排放，這是對智慧園區建設和管理的必然要求。

2 智慧園區的體系與構架

2.1 頂層設計要求

智慧園區通常是由多領域、多類別、多功能、多級系統構成的龐大信息化系統。它需要處理不同領域、不同類型、不同屬性的海量數據，具有內部結構復雜、外部鏈接多樣、開發建設周期長和需要為其他系統提供廣泛信息支持和服務等特點，并且后期還需要不斷進行優化。因此，做好智慧園區體系構架的頂層設計非常重要，體系構架應達到以下要求：

2.1.1 兼容性

信息化技術發展是一個漸進的過程，當前已經存在很多信息系統，智慧園區需要利用或通過這些信息系統進行數據采集、傳輸，以實現數據共享、交互。同時，智慧園區建成后并非一成不變、一勞永逸，仍需要持續進行拓展和優化，通常也無法將原有系統推倒重來。因此，智慧園區必須具有對不同系統和不同格式數據的兼容性。

2.1.2 安全性

智慧園區平臺存儲著各種海量的信息數據，可能涉及國家機密、商業機密以及個人隱私，平臺數據的完整性和準確性會對園區的運營、管理和相關方的利益產生直接影響。如果平臺受到病毒或者黑客的攻擊，導致數據被篡改、破壞或盜取，其后果是不堪設想的。因此，智慧園區平臺必須有足夠的安全措施來保障平臺運行及其數據在傳送、存儲等所有環節的安全性，保證其不會被不法分子破壞或竊取。

2.1.3 可靠性

智慧園區本身是一個復雜的分布式系統，一旦出現宕機或者數據丟失就有可能造成難以挽回的重大損失和負面影響，因此智慧園區平臺（含軟件、硬件和網絡）必須具備很高的可靠性和穩定性。平臺應具有數據自動備份、系統性能監視、故障檢測和報警等基本功能，使系統在發生故障時能盡快地得以診斷和修復。

2.1.4 可擴展性

各類園區的開發建設通常需要一段很長的時間，故智慧園區通常是一次性規劃并搭建構架，分步進行建設、實施和投運；同時，園區建成后更需要長期穩定運行，而信息技術一直在不斷地更新和迭代。在智慧園區的整個生命周期內，隨著園區的分步建設和技術的不斷進步，會有新的模塊和系統需要接入到智慧園區平臺中，因此智慧園區的網絡結構和系統容量必須具有非常好的可擴展性。

2.1.5 可管理性

智慧園區平臺是一個龐大的系統，涉及眾多子系統和網絡，需要滿足不同的應用功能和需求，并實現業務靈活、信息共享和信息安全的統一。智慧園區投入運營后可能涉及千家萬戶和各行各業，服務對象、用戶類型和需求也各種各樣，因此，智慧園區平臺系統要易于操作和管理，盡量直觀、便捷，以便于降低運行維護成本。

2.2 體系總體構架

傳統的園區智能化體系構架自下而上一般分為感知層、通信層、數據層和應用層，以及相應的標準規范體系和安全保障體系。智慧園區在物理架構上與傳統園區沒有太大的區別，但在系統框架和功能上有很大提升。

智慧園區的感知層包括感知對象、感知單元、傳感網絡和接入網關這些內容。其中，感知對象一般是指有物理形體的“物”，比如需要監測的建筑、設施、設備、車輛、物品、人，也包括地球表面空間等；感知單元是指具有數據采集功能，用于識別地理位置、物理狀態和采集各類數據的設備和網絡，包括采集各類物理量、標識、音頻、視頻數據等的傳感器、IC卡、RFID電子標簽、攝像儀、掃描儀、手機、智能讀寫終端等；傳感網絡是指通過無線通信技術把各種感知單元節點進行組織與結合的網絡系統，包括無線傳感網、物聯網、工業互聯網以及其他的傳感網，智慧園區傳感網絡中的每個感知設備都有其特定的通信地址，都可以通信，并可以被控制；接入網關是指使不同協議的網絡實現互聯通信的設備，也叫協議轉換器或網絡連接器，負責將感知層接入到通信層中，并進行協議轉換、數據轉換等工作，具體功能取決于感知層和網絡層所采用的具體技術。

智慧園區的通信層是以“寬帶、無線、泛在、融合”為特征的一體化智慧網絡，要求更高速的通信傳輸、更便捷的接入方式、更深度的數據融合，還要支持人與機器（或物體）間、物體與機器間以及機器與機器間的通信。根據智慧園區的不同特點，也可以把感知層和通信層合并稱為基礎設施層。

智慧園區的數據層是智慧園區體系架構中的核心，應當采用云計算的架構模式，通常分為園區數據中心、基礎庫和云服務三層結構。

智慧園區的應用層主要實現數據的融合、轉化和綜合應用，包括智慧辦公、智慧交通、智慧安防、智慧物管、智慧運營、智慧服務、智慧營銷等等。根據智慧園區的不同特點，也可以把應用層分為智慧應用層和融合交互層。

智慧園區的總體構架大同小異，但每個園區的定位、功能和各方面的條件又不完全相同，設計師應當結合園區的需求分析、目標定位和建設理念開展規劃和設計。

2.3 項目實踐案例

方太理想城是寧波方太集團于2016年開始規劃建設的總部園區，占地450畝，總建筑面積約60萬平米，是一個包括總部辦公、技術研發、新式營銷、展示展覽、教育培訓、會務接待和生活休憩等功能于一體的綜合型智慧園區。在項目建設和園區智能化系統規劃之初，就按照智慧園區的要求進行布局，從工程設計開始就應用了BIM技術，并且同步做了物聯網系統的基礎搭建。圖1是方太集團總部園區數字化建設的總體構架示意。它由基礎設施層、數據賦能層、智慧應用層和融合交互層組成，同時包括為保障園區智慧化高效運行而建立的安全、運維、建設三個方面的標準規范體系。通過建立包含感知和通信功能，以傳感網和物聯網為主的信息化基礎設施，采集、匯聚數據并接入至數據賦能層的數據分析平臺；數據分析平臺按照數據的不同應用場景對數據進行歸類、清洗和分析處理后，形成各種結構化和非結構化的數據并進行統一存儲；智慧應用層可利用經處理、規整后的數據對園區辦公、生活、交通、安防和運營等多場景應用提供高效的數據支撐，并通過數據交互平臺實現數據的內外部共享與交換；園區綜合管理平臺（IOC，亦稱“園區大腦”）和移動端可實現數據的融合交互和綜合運用，如提取園區內關鍵核心要素做重點呈現和控制調度，系統支持數據的縱向流通，為園區管理參與者提供直觀的決策支撐。

圖1 某總部基地智慧園區總體技術架構

基于智慧園區的規劃定位，方太集團總部園區的信息化系統按照上面的智慧園區總體框架進行了系統搭建和基礎設施建設，已于2021年6月建成投入使用。方太理想城智慧園區是一個多層結構組成的系統，圖2是園區的網絡拓撲示意圖。

圖2 某集團總部園區網絡拓撲示意圖

除了常規的綜合布線系統、語音通訊系統、計算機網絡系統（有線/無線）、室內移動通信覆蓋系統、綜合安防系統（監控/報警/巡更/安保對講）、停車場管理系統、一卡通系統（含門禁/考勤/消費/訪客及通道管理）、有線電視系統、電子信息發布系統、背景音樂系統、電梯多方通話系統、樓宇自控系統、能耗計量系統、多功能會議系統、綜合管路系統、數據機房等子系統之外，方太理想城智慧園區還采用了基于UWB超寬帶無線載波通信傳感技術的展館智能語音導覽系統、會議室集中管理系統、智能照明系統、遠程自動定點拍照系統等一系列功能，如圖4、圖5、圖6所示，通過基礎設施層建設、數據交互平臺開發和新一代信息化、數字化技術集成應用，實現了園區各類數據的匯聚、轉化和融合，并專用光纖和通過互聯網與方太第一工業園區、第二工業園區及全國各地分公司、辦事處實現了數據共享，基本實現了智慧辦公、智慧安防、智慧運維和遠程調度等目標。如圖3所示的方太理想城的數據機房監控系統，利用BIM數字模型和園區大數據，融入配電系統、UPS電源系統、精密空調系統、消防監測系統、門禁系統以及照明系統等運行參數，通過數字孿生建立了直觀動態的監控和運維模型，大大提高了系統的安全性，降低了運維成本。

圖3 某總部園區數據機房監控管理系統圖

圖4 某集團展館語音導覽系統管理監控圖

圖5 某集團研發大樓能源管理監控圖

圖6 某集團會議室綜合管理系統圖

3 智慧園區的技術與集成

3.1 核心技術是數字孿生

如上所述，與傳統的建筑智能化相比，智慧園區在信息集約化、數據平臺化、管控可視化、響應智慧化和運行低碳化等方面有了大幅度的提升。與之相應，智慧園區必須同時運用數據采集、通信、網絡、計算、存儲、數字模型、安全管理等各種信息化、數字化新技術才能實現。在眾多功能中，各類數據的融合、共享、智慧化運用和直觀可視化展示是智慧園區的最主要特點，而數字孿生技術的應用是其核心。

數字孿生是數字模型對現實物理系統的鏡像映射，是一種集成多物理、多尺度、多學科屬性，具有實時同步、忠實映射、高保真度特性，能夠實現物理世界與信息世界交互與融合的技術手段。

3.2 基礎技術是BIM應用

對于智慧園區而言，數字孿生的基礎是BIM技術的應用。BIM技術在計算機中搭建了現實物理實體的數字模型，利用互聯網技術和各類計算機輔助軟件，將二維設計圖紙轉化為三維、直觀和動態的立體模型，在園區和建筑規劃、設計、施工階段實現了三維設計與多專業3D設計協同，使得設計圖紙不再顯得那么抽象、枯燥和難以理解，建筑、結構、電氣、給排水、暖通、智能化、裝修、幕墻、市政、景觀等不同專業之間也不再需要為設計圖紙彼此割裂、互相碰撞而煩惱。該種設計方式所產生的設計成果簡單直觀，使設計、審核、建設、施工、監理、使用各方之間的交流變得方便，可消除因理解偏差而導致的溝通障礙。

在設計階段，利用BIM技術，不僅可以大大提升設計效率，減少甚至避免設計差錯，實現設計最優化，還能在設計階段就對園區的總體建造成本進行精確測算和評估；在施工階段，利用BIM技術，加入時間參數后能進行全過程施工模擬、生成動態的BIM模型，并借此驗證和優化施工組織設計、優化施工現場布置方案、優化施工進度安排和人、材、物等資源的采購和配置計劃等等，還能進行現場施工作業安全隱患查找、應急方案設計和模擬演練等；利用BIM模型，結合造價軟件和價格信息，能夠實現工程量的自動歸集和生成工程造價計算模型，使得成本預算和控制也變得簡單、直觀和方便。

園區運維是園區全生命周期的一個重要環節，占了園區全生命周期90%以上的時間。據資料顯示，在建筑全生命周期中，設計、建造、運維各階段的投入比為1∶50∶2 500，各階段的能耗比為1∶200∶9 800，可見運維階段智慧管理十分重要。在運維階段，以建設階段的BIM模型作為底層數字模型支撐，疊加智慧園區的大數據應用，將各種傳感器采集的環境數據、設備系統運行工況數據與BIM數字模型結合，能實時生成或導出當下的園區數字化模型及其數據，可實現智慧園區的全生命周期數字孿生，使得智慧園區的運維管理也變得簡單、直觀、高效。

3.3 技術集成是必然趨勢

智慧園區的功能十分強大，但不是依靠單一技術能夠實現。為了實現園區智慧化，除了運用互聯網、無線網、5G、大數據、云計算、云存儲、VR、AR和人工智能技術外，還必須集成IOT物聯網、GIS地理信息和BIM建筑模型等技術。

BIM技術解決的是數據模型化、三維可視化問題，只有在BIM的基礎上集成現代傳感技術、通信技術、大數據和云計算等其他信息技術，通過對實現園區的各類數據采集、匯聚并與BIM模型融合后，才能實現真實的園區數字孿生。技術集成度越高，數字孿生的精細度、真實度也越高，園區的智慧化功能也能得到更多的拓展和提升。比如，IOT物聯網技術解決的是物與物、物與機器之間的數據采集、傳遞和交換問題，BIM + IOT可實現萬物互聯，這對園區建設階段的物料管理、建成后的智慧運營和管理是必不可缺的。又如，BIM + 三維激光測量技術，可以實現遠程測量、檢查、驗收、評審和實時化記錄，大大提升管理水平和效率，節省管理成本和時間。再如，GIS地理信息技術解決的是地球表面、地理空間的數據采集、傳遞和交換問題，BIM + GIS可提高建筑與周邊環境的融合性，可助力園區生態化、低碳化，這對智慧園區的規劃設計、建設和基礎設施運維是十分重要的。還有，通過BIM與傳感技術、泛在網通信技術、GIS和IOT等技術集成，系統能自動綜合能耗大數據，結合設備系統配置、實時能耗數據和環境參數積累，實現全天候的能源優化管理，等等。

以方太理想城的綜合耗能監控為例，當園區數據交互平臺將采集的氣象預報、當前天氣、階梯電價、峰谷電價、當前的建筑狀態、設備運行工況等數據匯聚，與園區BIM數據模型進行即時融合，并與園區各樓宇、場館的使用計劃、樓宇設備的能耗需求和生產線的運作計劃等數據共享，經過園區大腦的智慧化分析、運算、處理后，不僅可以動態直觀化展示的園區各系統的運營狀態，并能實時對園區各功能子系統發出指令，進行優化調度。

4 結 論

智慧園區建設，不是建筑智能化的簡單復制和疊加，必須集成泛在網、大數據、云計算、云存儲、IOT物聯網、GIS地理信息、BIM建筑模型和AI人工智能等多項先進技術，其中基于BIM的數字孿生技術的應用是關健。在建設“數字化中國”的浪潮下，隨著數字孿生、虛擬現實、人工智能等技術的進一步發展，智慧園區建設必將駛上快車道，并將催生出真正意義上的智慧社區和智慧城市。