基于城市信息模型的數字孿生港口平臺規劃設計

文｜山東建筑大學測繪地理信息學院 石磊 鄭國強；北京知優科技有限公司 沈旭 劉昱君 尹愷 顏嘉旖

0 引言

當前，國內外許多港口正在積極探索智慧港口建設方案，通過城市信息模型（City Information Modeling,CIM）、建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)、物聯網(Internet of Things，IOT)、數字孿生及5G 等新技術，積極探索港口建設[1]。在傳統的港口建設中一直存在著一些固有問題得不到解決，這些問題主要有以下幾點特征：（1）數據孤島林立。港口中不同的業務系統之間獨立工作，互不統屬，彼此之間的數據信息無法得到快速流通，形成數據孤島。（2）決策方式固化。傳統港口主要依賴于二維平面信息，三維空間信息利用率小，面對如今越來越復雜的港口運營業務，已經不足以支撐高效決策。（3）實時管控效率低下。目前港口調度中心主要以二維的方式進行調度管理，不能高效直觀體現智慧化管控能力，同時對港口的視頻監控的有效利用率低，無法將視頻監控與調度管理有效的結合利用。

針對上述問題，國內外學者做了大量研究，國外學者Ahmed Khalafalla 等[2]人提出利用實用的自動化系統，依據實時港口數據預測港口的建設擴張需求，推進智能港口建設規劃。吳云健等[3]闡述了智能港與智慧城市之間的關系，指出智能港是智能城市應用的一個重要方面，并對港口生產管理系統進行了詳細探討。WANG[4]指出為了拓展和完善港口的服務功能，各國應大力推進港口信息平臺的建設，促進整個港口城市的經濟發展和繁榮。ZHANG[5]依據近年來智慧港口建設和運行情況，研究了智慧港口基礎設施的現狀以及港口未來的發展趨勢。

然而國內外的研究并未完全解決所有的傳統問題。在我國，試點城市如南京、北京雄安新區等智慧城市建設已取得初步成功，其中廣泛應用了CIM 技術與數字孿生技術。文章以威海港CIM 數字孿生港口建設為例，針對上述問題通過實踐證明其解決方案的可行性。

1 BIM、CIM 與數字孿生

1.1 BIM、CIM 與數字孿生含義

BIM 是一種數字仿真模擬技術，實現了建筑物建筑信息的集成，并貫穿于整個建筑工程項目的全生命周期[6]。BIM 技術的核心是通過建筑物的信息集成實現設計方、施工方以及業主的協同合作，提高工作效率。

CIM 最早由Khemlani 提出[7]。而我國同濟大學吳志強院士則將其定義擴展為城市智能模型（City Intelligent Model）[8]。住房和城鄉建設部發布《城市信息模型（CIM）基礎平臺技術導則》[9]中對CIM 做了正式的定義，“以建筑信息模型（BIM）、地理信息系統（GIS）、物聯網（IOT）等技術為基礎，整合城市地上地下、室內室外、歷史現狀未來多維多尺度信息模型數據和城市感知數據，構建起三維數字空間的城市信息有機綜合體”。

“數字孿生”概念首次出現在工業領域，被認為是實現信息物理系統的核心關鍵技術[10]。而在雄安新區建設中提出“堅持數字城市與現實城市同步規劃、同步建設”,首創“數字孿生城市”概念[11]。文章“數字孿生港口”的含義為“以CIM 技術形成的空間信息模型為基底，集成物聯網實時動態數據以及業務實體數據，構建港區全要素孿生體，實現港區數字孿生一體化”。

1.2 BIM、CIM 與數字孿生的聯系與區別

BIM、CIM 與數字孿生之間存在很大的區別與聯系，三者之間的關系如圖1所示。

圖1 BIM、CIM 與數字孿生的關系示意圖

（1）應用領域不同。BIM 通常應用于單體建筑，匯集建筑物的所有信息，貫穿于建筑物的全生命周期；CIM 主要應用于城市及其相關方面的智慧化建設，包括智慧交通、智慧管廊、智慧市政、智慧工地等；數字孿生首先應用于工業領域，之后應用于城市的智慧化建設。

（2）相互聯系緊密。在城市建設相關領域，BIM 是屬于CIM 的一部分，是CIM的“細胞”，CIM 技術是數字孿生城市的核心技術，是數字孿生城市的基礎，通過BIM 實現CIM 模型中重要建筑物的單體化精細模型，同時“BIM+數字孿生”則實現了建筑物的數字孿生。而通過CIM 技術，則實現了將物理城市的實體模型構建為數字孿生體，以CIM 平臺為基礎，對接城市各信息系統，加載城市數據資源，搭建物理世界與數字孿生世界的橋梁。

2 數字孿生港口平臺設計思路

CIM 融合了小場景的BIM 模型和大場景的GIS 信息，同時結合了物聯感知數據，形成城市范圍的實時的信息模型，其應用于港口建設中可實時、有效地展現與管理港口的生產作業、船舶的調度等工作。同時，與在智慧城市中的應用不同，數字孿生港口的建設范圍小，建設內容更加詳細，能夠更加細致的展現港口的調度。

2.1 平臺設計目標

（1）展示港口全域數字孿生場景

接入、展示與管理傾斜攝影數據、DEM/DOM/DLG 數據、城市白模數據、點云數據、三維模型數據、BIM 模型數據等多種數據格式，構建涵蓋港區全部地理信息要素與基礎設施的全要素場景，使平臺操作系統從二維管理模式升級到三維管理模式，通過CIM 數字孿生平臺直觀掌握三維空間層次信息，增強港口的綜合管理，解決港口信息直觀表達性差、表達不明等問題。

（2）提高數字港口建設協同調控

CIM 數字孿生平臺匯聚了港口二維與三維數據信息、靜態動態一體化數據信息、多元專題數據信息、實時監測數據信息等多方面、多部門信息，同時依據數據中臺建設以分布式大數據集群技術為代表的數據基礎支撐體系，實現了港口多部門數據聯通與協同。

（3）保證數字港口作業安全

通過數字孿生視頻監控數據融合技術，結合港口視頻監控設備和地理空間數據，實現數字模型與視頻數據的無縫融合。港口設備監控平臺對港區港橋、冷鏈、物流等設備實時監控與監測，同時建有港口防風預警平臺、消防警情預警平臺等，共同打造預警信息提醒等能力，提高港口安全管控能力。

2.2 平臺架構設計

圖2 威海港CIM 數字孿生平臺架構

一采集：通過5G、IOT、數據庫等一流技術對接港區內業務系統基礎資源和高清視頻基礎數據的采集與存儲。

三主線：圍繞船舶作業、場站作業、道路運輸等三條核心業務開展數據整合、匯聚與治理。

三核心：依托CIM 數字孿生引擎、AI、數據中樞等核心工具實現業務數據的共享交換和分析，為CIM 可視化集成分析提供支撐。

四應用：圍繞生產調度、客戶服務、安全管理、物流倉儲等港口作業四大方面挑選場景開展CIM數字孿生應用場景建設。

四主體：圍繞散雜貨、集裝箱、客滾中心、冷鏈中心等4 個主要管理主體進行CIM 數字孿生應用服務。

2.3 平臺技術支撐

威海港CIM 數字孿生平臺綜合應用5G、物聯網、數字孿生、CIM 等技術，實現與物理空間1∶1 對應的云端港口運行狀態全景圖。

（1）CIM 數字孿生引擎

依據研發的三維引擎（依據虛幻引擎（Unreal Engine 4,UE4）進行二次開發）、高效數據中心、智能化決策算法（包括交通、應急、消防、物流算法），搭建引擎技術架構，建設CIM 數字孿生引擎，為CIM 數字孿生提供了強有力支撐。其主要功能見表1。

表1 CIM 數字孿生引擎核心功能

（2）BIM 數據格式轉換技術

演唱會音樂，一般均擁有一定的人數規模，并在觀眾面前進行現場音樂表演。演唱會對于音樂愛好者而言，是一個狂歡的活動。在現場，他們的情緒可以得到盡情的釋放，如激動、悲憤等。據資料顯示，近年來，演唱會音樂已逐漸發展為音樂產業中重要組成部分，且門票銷售收入一直呈持續增長的趨勢。此外，由演唱會演變的音樂節，成為音樂產業中的一匹黑馬脫穎而出。音樂節的出現，對音樂和表演者而言，將重新包裝提升其價值，從而獲取更多的利潤。到目前為止，已舉行百余場音樂節，預計未來將會達到更多。

BIM 模型儲存幾何信息與非幾何信息,為各專業在建筑內的集成提供服務。而GIS支持地理信息的數據管理、集成、共享服務和空間分析,為協同設計提供支持[12]。BIM 模型數據本身的標準化IFC 格式是其能夠與其他格式轉換的基礎。而采用自動化處理技術，實現BIM 軟件接口與數據空間數據庫的對接，使BIM 模型的結構信息、幾何信息、參數信息及屬性信息等盡可能完整的傳遞。

（3）BIM 模型輕量化技術

BIM 模型輕量化技術是通過對BIM 模型數據分析，將模型中非幾何數據進行剝離以及幾何數據的優化，以達到減小模型數據量的目的[13]。BIM 模型的輕量化是解決BIM 與GIS 在結合過程的關鍵問題之一，目前常用的輕量化方法主要有：基于標準數據格式間的模型文件轉換法，基于模型設計插件的模型文件格式轉換法，基于模型文件解析分割法，基于模型文件構件遍歷及標識法[14]。

（4）數據中臺

數據中臺是一種將企業沉睡的數據變成數據資產，持續使用數據，并進行智能化分析，最終為業務服務，從而實現數據價值變現的系統和機制[15]。威海港CIM 數字孿生平臺數據中臺如圖3所示，核心內容包括兩方面：

圖3 威海港CIM 數字孿生平臺數據中臺示意圖

① 應用數據關聯共享能力，以CIM 數據中臺為核心，統籌各類基礎信息和重要共享數據匯聚要求。

② 數據資產管理能力，協助建立管理流程，落地數據標準，提升數據質量。助力打造數據資產，挖掘數據潛在價值。

3 數字孿生系統平臺功能模塊規劃設計

3.1 生產調度模塊規劃設計

（1）集裝箱、散雜貨模塊規劃設計

威海港利用CIM 數字孿生技術對集裝箱、散雜貨生產作業的工況進行全流程仿真。通過地理空間信息承載引擎，搭載全港傾斜攝影、正射影像等地理空間信息數據和BIM、三維GIS 模型數據，通過視頻融合技術將現場監控視頻與三維模型精準融合，對人車船設備進行高效監管，提高作業效率和管控能力。如圖4左側圖所示。

（2）岸橋作業模塊規劃設計

通過數字孿生技術，將場橋式集裝箱起重機、岸橋式集裝箱起重機、跨運車、集裝箱運輸車、集裝箱等事物進行1∶1數字復刻，綜合應用5G、物聯網、UE4 動態引擎等技術展現吊裝系統實時作業場景。如圖4右側圖所示。

圖4 集裝箱、散雜貨模塊與岸橋作業模塊

3.2 客戶服務模塊規劃設計

（1）企業信息管理模塊規劃設計

通過對接智慧化綜合管理系統，將港口內集裝箱的詳細信息一一與企業信息相對應，使管理人員更加直觀高效的查看對應企業信息，掌控貨物情況。

（2）貨物信息管理模塊規劃設計

利用安裝的高速高清球機，抓拍前后、側面、箱面箱號圖像。通過數字孿生、參數化建模等技術動態展現箱號的顏色、尺寸、箱貨來源等全屬性信息。并結合企業信息和船舶計劃等，實現貨物的基本信息查看。

（3）船舶、泊位管理模塊規劃設計

通過對接智慧化綜合管理系統，將港口船舶進出港計劃、泊位管理、船舶資料信息等進行集成管控，在平臺中實時展現船舶航行狀態和泊位是否空余（如圖5所示），為港口企業與客戶提供實時船舶、泊位信息。

圖5 船舶、泊位信息示意圖

3.3 安全管理模塊規劃設計

（1）設備安全管理模塊規劃設計

集成IOT 物聯網監控數據，清晰任務分配視圖，統計各種性能指標，統計設備歷史數據，利用設備故障預策機制，能夠在設備出現故障之前感知異常信息，實現重要內容圖形化展示，對不安全因素及時預警，避免設備的突然損壞，保證港區設備的正常運行。

（2）作業安全管理模塊規劃設計

結合港口視頻監控設備和動態作業數據，對接安全管理平臺，對港區重點區域進行隱患排查，對視頻監控點周圍畫面識別挖掘，實時掌控隱患排查信息，及時反饋預警信息。港口安全管理評級如圖6所示。

圖6 港口安全管理評級示意圖

3.4 物流倉儲模塊規劃設計

（1）物流配套管理模塊規劃設計

物流園區采用聯動消防警情預警機制，通過監控進行煙霧報警智能AI 識別，自動讀取數據并對比分析，對低壓故障斷電告警，平臺則立即提示管理人員進行消防應急處置，在所搭建的孿生環境下精準查詢物資設備定位。如圖7所示。

圖7 物流園區與煤炭倉儲中心

（2）煤炭存儲管理模塊規劃設計

倉儲中心利用增強現實（Augmented Reality,AR）視頻融合技術對煤倉建筑易于污染地區進行實時監控，并智能分析污染程度，實時反饋管理人員，輔助管理人員及時做出決策，確保綠色環保經營。

4 總結

文章將以CIM 技術為核心的數字孿生引入港口建設中，構建威海港數字孿生體，搭建威海港CIM 數字孿生平臺，建成統一的資源整合的CIM 數字孿生數據庫，集成并整合各業務子系統重點數據資源；實現數字模型與視頻數據的無縫融合，打造預警信息提醒等能力，提高港口安全管控能力；實時掌控港口作業全景圖，提高港口作業管理效率。為未來中國智慧港口的建設提供了可行性方案。