數字孿生CIM平臺在黃帝故里景區應用研究

祁 迪 吳 范

(中鐵十五局集團電氣化工程有限公司 上海 201605)

1 引言

進入二十一世紀以來，我國國民精神文明建設進入快速發展期，旅游業規模不斷提升，其在經濟發展中的地位愈發明顯。隨著智慧城市理念的提出，景區管理者逐漸把目光投向通過物聯網、數字化等手段進行景區更新、歷史文化保護、景區管理方面。如何通過新技術手段進行景區管理，使景區保護與發展攜手同進，在此背景下，“智慧景區”建設應運而生[1]。

黃帝故里核心景區以國家旅游局對旅游信息化建設的要求為指導，以先進信息技術為依托，結合景區實際，建立以數字孿生CIM平臺為核心的管理服務、營銷、生態保護三大體系，使景區由傳統管理模式轉變為智慧化管理模式，變分散為協同、變多級為扁平化、變粗放為精細，實現“資源保護智慧化、經營管理智能化、產業整合網絡化”，樹立先進的管理和科技旅游品牌[2]。

2 數字孿生平臺建設背景

BIM技術在基建領域逐漸趨于成熟，人民對城市、旅游信息化建設需求日益增加，在此基礎之上更進一步的CIM平臺展現出強大生命力。2019年至2020年，我國CIM相關招標數量為24個，到2021年9月達到96個，總金額達20.16億元。相較于國內，國外在基建領域對CIM技術的研究仍處于滯后階段[3]。

3 數字孿生平臺定義

數字孿生CIM平臺基于數字孿生理念，借鑒并融合3D可視化和CIM(城市實時信息模型)兩種技術，依托園區真實全景，建立線上三維智慧園區，1∶1還原園區內部景觀及建筑樓層內部結構。實時接入設備采集數據，直觀地呈現園區內部設備工作狀態和設備實時數據，包括設備的基礎信息、客流出入數據等，實現生產運營可視化分析。用戶也可通過三維可視化平臺與設備聯動，實時了解園區情況，實現一定程度上的平臺設備反控，最大程度的達到“可視”“可管”“可控”目標，最終達到高效、安全、智能等目的，為實現“一屏化管理”奠定基礎。

3.1 數字孿生理念

數字孿生理念通過物聯感知操控、全要素數字化表達、可視化呈現、模擬仿真推演等，凸顯數字孿生價值和突出精準映射、虛實交互、軟件定義、智能干預等核心要素，形成數字孿生的“能力空間”。數字孿生技術能在虛擬網絡大數據平臺基礎上提供一個可視化數據平臺，通過對目標的數字化模擬，使設備參數及運營過程展示于眼前。

3.2 3D可視化

3D可視化是一種表征形式，對數據體屬性進行分析，通過適合的描述方式，將方便分析與理解的數據進行展示。在黃帝故里數字孿生CIM平臺建設中，3D可視化理念主要體現在三維地圖瀏覽、可視化查詢、空間查詢、多形式級別渲染、地下管線三維仿真渲染中[4]。

3.3 CIM

CIM中文名為城市信息模型，基于建筑信息模型、地理信息系統、物聯網等技術，可整合城市內外、過去及未來多維度數據，是智慧城市最終表現形式。

4 數字孿生平臺組成

數字孿生CIM平臺主要由軟件系統構架和硬件設施搭設兩部分組成，通過設計好的園區網絡進行聯通，確保用戶能使用云平臺與各物聯網設備進行交互[5]。

4.1 軟件系統構架

園區平臺軟件系統構架由上至下分為技術層、視覺表現層、功能交互層、數據接口層、拓展層五個層級，見圖1。

技術層采用B/S型兼容性強、可跨平臺操作的架構，建模基于WebGL技術，采用ZTMap3D可視化引擎實現模型編譯，將三維模型嵌套在HTML網頁，最終呈現于大屏幕。

視覺表現層通過建模素材對設備進行線上仿真建模，并對模型進行統一規范化處理，以便后續導入模型庫實現項目擴展。

功能交互層的主要內容是對反控功能和JS點擊事件的描述。反控功能可實現虛擬世界到物理世界的映射；JS點擊事件功能可使用戶擁有一個良好操作體驗感，對整個場景的縮放及鏡頭聚焦、菜單切換，通過已設計好的不同應用場景，更加直觀地展示用戶所需數據。

數據接口層采用WebScoket協議，通過后臺接口數據的傳輸，形成整個數據鏈路流通閉環。共劃分為4個步驟，即三維渲染、系統前端展示、數據交互、三維目標。

拓展層的核心業務是通過可視化編輯器快速設置大規模物聯網設備。通過編輯數據導出的JSON格式場景數據，包含三維模型地址(或編號)、設定位置、朝向方位、縮放大小、編號、類別、簡介等信息，可手動復制到新項目中用于新建的數字孿生項目，也可保存到用戶后臺數據庫中。

4.2 硬件設施搭設內容

園區平臺硬件設施主要包含:各業務管理服務器、均衡服務器、CVR存儲服務器、核心交換機、匯聚交換機、接入交換機、網絡控制器、終端計算機操作臺、AP、子系統終端設備(廣播、LED信息發布屏、門禁、照明控制器、管道監測探頭等)、各類電力通信線纜等。

4.3 園區網絡設計

園區平臺網絡分為園區網絡和設備網絡兩部分。通過綜合布線、網絡控制器和各級交換機，園區網絡能夠將終端計算機、AP連接到互聯網上；設備網絡能夠將廣播、監控、門禁等子系統連接到其對應的業務管理服務器上。園區平臺網絡是黃帝故里數字孿生CIM平臺能夠監測、控制各個終端設備的物理基礎。

為實現園區網絡穩定，按照以下原則進行設計:通過網絡控制器對有線網、無線網進行統一管理:無線網絡使用Wi-Fi 6 AP，實現室內外場景全覆蓋；園區網絡和設備網絡物理隔離；核心交換機雙機冗余。網絡拓撲見圖2、圖3。

5 數字孿生平臺業務功能

數字孿生CIM平臺將業務功能劃分為綜合分析、智慧應用、應急指揮、智慧物業、景區營銷、地下管線六個版塊(見圖4)，作為園區的指揮中心，數字孿生CIM平臺監測維護著整個園區的運行狀態。

5.1 綜合分析

綜合分析囊括熱門景點排名、設備告警頻次分析、景區進出通道實時數據分析、安防事件高發時段分析、廁所人流時段分析、景區客流來源分析等功能(見圖5)。

5.2 智慧應用

通過平臺實現3D多場景、多視角應用，全園區可通過創建不同的場景進行管理，也可以一站式管理方式實現園區信息跨地理(景區遠程集中監控)的可視化展示。

智慧應用共計包含12個功能，本文著重對五個子功能進行描述(見圖6)。

5.2.1 智慧安防

在黃帝故里景區數字孿生系統中，結合智能視頻監控系統，可以直觀展示景區內攝像頭的空間布局及工況，實現人員軌跡追蹤、人流量熱力圖、重點區域監控、異常行為識別、出入口體溫監測。單點、多點選中可出實時視頻或視頻墻顯示；支持展示攝像頭告警快速定位，便于管理人員快速了解告警信息，迅速采取措施[6]。

5.2.2 智慧消防

通過三維場景將景區結構、內部樓層分布、疏散通道、疏散出口的分布以及消防控制中心位置和室內外消防設施具體分布進行顯現，在景區發生突發事故時可通過系統準確找到該場所具體位置，掌握內部消防布局情況，通過視頻監控、五方通話和公共廣播及時對事發區域進行人員疏散[7]。

5.2.3 智慧告警

可以通過電子地圖展現入侵報警設備分布情況，在電子地圖上鼠標指向入侵報警設備圖標，可顯示位置、名稱等信息，報警后彈出地圖，并顯示定位位置。

5.2.4 環境監測

電子地圖實時展示采集設備的位置信息；實時監測前端采集設備狀態，包括在線、離線狀態；可設置報警閾值，報警后地圖彈出視頻圖像，并定位位置；實時顯示環境溫濕度、PM2.5值、噪聲值；支持與其他系統做聯動關系[8]。

5.2.5 客流分析

對接票務系統，獲取游客出入實時數據；游客密度超過設定范圍時，聯動相關安保系統及相關應急指揮預案；各重要場館可實時顯示客流密度情況；分析統計游客性別等畫像數據；分析統計不同時段和日期游客數量特征。

5.3 應急指揮

5.3.1 綜合調度

綜合調度管理在數字化應急預案基礎上，集智能安防系統集成，實現應急處置過程中的系統聯動、輔助決策功能。

5.3.2 警情研判

對景區安全風險進行評估，建立預警機制，及時發布預警通報，通知保安實施危機干預。綜合評估可根據平臺分析評測模型、危險類型得出分析結果[9]。

5.3.3 預案管理

結合視頻監控、公共廣播等系統的調度，為應急指揮提供既定調度方案。

實現對各景區各種預案的查閱、修訂、刪除等操作。管理人員可以對預案內容進行合理更改，完成后重新分類歸檔。

5.3.4 應急演練

演練管理菜單可以提升處置突發事件的能力。同時平臺通過對各類應急處置預案的反復演練，不斷完善處置流程，得出更為合理、更近實戰的應急預案，提高各類預案的實用性。

5.3.5 處置歸檔

管理人員可通過平臺查看應急預案處置詳情，包括關聯的應急預案類型、負責部門、聯動設備、處置人員及處置方法等信息。

5.4 智慧物業

包含維修管理、巡檢管理、工單管理、設備維護四個部分，實現園區線上叫號、有序派單，從而使園區運維暢通無阻(見圖7)[10]。

5.5 景區營銷

景區各項景觀三維圖像通過網絡支持跨終端展示；同時支持在景區設備網和整個互聯網網頁上同步發布展示，并實現VR瀏覽體驗(見圖8)。

5.6 地下管線

根據地下管線CAD圖紙自動生成三維模型，并通過平臺直觀顯示園區整個管網。其他功能包括地下管線三維仿真渲染、管線基本屬性信息查詢展示、管線監測數據對接顯示、管線維修狀態信息查詢展示。

6 結束語

關于數字孿生CIM平臺的學術研究尚處于早期階段，我國基建領域率先開啟了多項基于CIM的實踐，但多集中于報批報建、智能制造、城市運行管理等領域，針對前期規劃的探索成果尚不突出[11]。

黃帝故里數字孿生CIM平臺開啟了基于CIM建設智慧城市的孿生數字基底思路，本文重點闡述在應用階段的實戰成果，以期為智慧城市發展提供新的參考[12]。