基于5G、AIOT、數(shù)字孿生技術的新型智慧園區(qū)解決方案研究

摘要：產(chǎn)業(yè)園區(qū)是我國經(jīng)濟發(fā)展的重要承載體，產(chǎn)業(yè)園區(qū)向新型智慧園區(qū)發(fā)展是我國數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的新模式。本文提出融合最新ICT技術的新型智慧園區(qū)解決方案，首先對新型智慧園區(qū)的現(xiàn)狀需求進行分析，在此基礎上提出新型智慧園區(qū)的建設目標、總體方案設計和分項建設內容，重點研究了新型智慧園區(qū)支撐平臺層的建設及如何對上層應用進行支撐，打造規(guī)建管一體化模式創(chuàng)新的人、物、空間全面聯(lián)動虛實結合的新型智慧園區(qū)。

關鍵詞：5G；物聯(lián)網(wǎng)；城市信息模型；建筑信息模型；智慧園區(qū)

產(chǎn)業(yè)園區(qū)從1979年第一代誕生開始至今經(jīng)歷了四個階段，如今進入了第五代創(chuàng)新期，發(fā)展理念由過去的產(chǎn)業(yè)集群要素驅動轉向了數(shù)據(jù)價值驅動、精細化運營，空間特性由實體產(chǎn)業(yè)園向數(shù)字孿生園區(qū)演變。新發(fā)展形勢產(chǎn)生新要求，新型智慧園區(qū)解決方案應運而生。

一、新型智慧園區(qū)建設現(xiàn)狀分析

（一）現(xiàn)狀分析及發(fā)展趨勢

智慧園區(qū)從2000年開始起步，業(yè)內普遍認為，發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：1.0階段，信息化起步階段。側重園區(qū)基礎信息系統(tǒng)的建設，重技術輕應用，重建設管理輕服務運營；2.0階段，數(shù)字化管理階段。側重運用部分ICT技術進行園區(qū)業(yè)務系統(tǒng)建設，賦能于園區(qū)實際管理和服務，實現(xiàn)管理降本增效；3.0階段，數(shù)智化規(guī)建管一體化階段。將數(shù)字孿生技術引入園區(qū)建設運營，形成虛實協(xié)同、深度學習、自我優(yōu)化、內生發(fā)展的數(shù)據(jù)智能化園區(qū)發(fā)展新形態(tài)。即本文討論的新型智慧園區(qū)階段。

當前，我國各智慧園區(qū)建設水平參差不齊，大部分都處于1.0到2.0階段。建設過程中尚面臨諸多挑戰(zhàn)和待提升點，表現(xiàn)在如下三方面：

缺乏統(tǒng)籌設計：智慧園區(qū)建設總體缺乏統(tǒng)籌設計和頂層規(guī)劃，應用建設以碎片化功能建設為主，各子系統(tǒng)封閉孤立，未形成一體化體系，存在重復投資、無法迭代演進等問題。

信息孤島現(xiàn)象：智慧園區(qū)各系統(tǒng)“煙囪式”建設，數(shù)據(jù)不能有效共享互通；缺乏對智慧應用沉淀下來的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)治理，無法形成有效數(shù)字資產(chǎn)。

智能化水平有待提升：當前部分智慧園區(qū)已運用最新ICT技術建設了部分智能化應用，但并未實現(xiàn)對用戶、空間、事件、設施四者的可視化、智能化聯(lián)動管理，不能提供主動服務，智能化水平有待提升。

綜上，智慧園區(qū)未來發(fā)展將聚焦于面向空間的用戶體驗，重視數(shù)據(jù)資產(chǎn)共享及價值挖掘，強調業(yè)務增值、開放創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展，即新型智慧園區(qū)發(fā)展階段。

（二）新型智慧園區(qū)主要支撐技術

①5G技術。以5G為基礎的泛在傳感網(wǎng)絡是新型智慧園區(qū)應用的基石，其高速率、低時延、泛在連接的特點更好服務于AI應用。[1]

②物聯(lián)網(wǎng)技術。基于5G無線傳輸和大數(shù)據(jù)處理分析技術，通過物聯(lián)網(wǎng)將園區(qū)內的人、物、空間三者連接、全面定位和監(jiān)控。

③邊緣計算技術。部署邊緣端的計算節(jié)點，更快實現(xiàn)網(wǎng)絡服務響應，避免大量數(shù)據(jù)回傳帶來的帶寬浪費和時延，滿足新型智慧園區(qū)應用的實在性、智能化、安全與隱私保護等方面的基本要求。[3]

④建筑信息模型技術（即BIM）。包含建筑全生命周期工程數(shù)據(jù)的可視化數(shù)字模型，與IOT技術結合可實現(xiàn)數(shù)字實體與物理實體的實時關聯(lián)控制，實現(xiàn)設備運維虛實結合。

⑤城市信息模型技術（即CIM）。以城市信息數(shù)據(jù)為基礎建立起的三維城市空間模型，是城市空間大場景GIS數(shù)據(jù)、小場景BIM數(shù)據(jù)和IOT數(shù)據(jù)的有機融合，可融合園區(qū)繁雜的信息，作為新型智慧園區(qū)數(shù)字化底座。

二、新型智慧園區(qū)概念

新型智慧園區(qū)是智慧園區(qū)全新發(fā)展階段，是以數(shù)據(jù)為核心生產(chǎn)要素，以數(shù)字運營為核心生產(chǎn)關系的新型智慧園區(qū)，是生產(chǎn)力全面提升的新型智慧園區(qū)，是人、物、空間全面聯(lián)動虛實結合的新型智慧園區(qū)，不僅涵蓋了完整的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，也是一個具備自生長能力的有機生命整體。[2]

三、需求分析

（一）產(chǎn)業(yè)園區(qū)投資建設數(shù)字化需求

當前，多數(shù)智慧園區(qū)建設均聚焦于園區(qū)基礎設施建成后的運營階段，對于規(guī)劃建設階段缺乏支撐，未同運營階段形成數(shù)據(jù)一體化建設。從園區(qū)規(guī)劃建設階段介入實現(xiàn)規(guī)建管一體化建設是園區(qū)長期智能化運營迫切需求。

（二）產(chǎn)業(yè)園區(qū)數(shù)字化運營需求

園區(qū)運營方：對園區(qū)的人、車、物、環(huán)境、能源、事件等園區(qū)管理要素可視化管理；要素和空間之間聯(lián)動關聯(lián)管理。

園區(qū)企業(yè)：園區(qū)統(tǒng)一為入駐企業(yè)提供公共配套數(shù)字化服務及產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同服務。

園區(qū)公眾：園區(qū)生活配套服務和公眾資訊服務。

（三）產(chǎn)業(yè)園區(qū)發(fā)展需求

新型智慧園區(qū)建設需考慮產(chǎn)業(yè)園區(qū)的發(fā)展需求，包括園區(qū)品牌影響力塑造與提升需求，招商引資需求；園區(qū)培育新型產(chǎn)業(yè)集群，壯大園區(qū)生態(tài)圈發(fā)展需求等。

四、總體目標

基于數(shù)字孿生的新型智慧園區(qū)發(fā)展理念，以園區(qū)開發(fā)與運營全生命周期的“規(guī)建管”一體化業(yè)務為主線，以園區(qū)CIM空間信息模型為基礎底座，以數(shù)據(jù)資產(chǎn)的匯聚、共享、應用為核心，以創(chuàng)新園區(qū)管理、服務產(chǎn)業(yè)發(fā)展為目標，融合運用5G、IOT、AI、BIM等ICT技術打造新型智慧園區(qū)，探索產(chǎn)業(yè)園規(guī)建管統(tǒng)籌協(xié)調、虛實融合和一體化創(chuàng)新管理新模式，推進產(chǎn)業(yè)園基礎設施數(shù)字化、開發(fā)管理信息化、服務功能專業(yè)化和運用運維智能化發(fā)展。

五、總體設計

新型智慧園區(qū)總體解決方案設計遵循“三全”原則。全過程：涵蓋產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)劃、建設和運營管理全過程應用。全要素：實現(xiàn)人、車、物、環(huán)境、能源、事件等園區(qū)管理要素升級改造。全方位：從園區(qū)空間和時間一體化搭建數(shù)字孿生底座。

總體架構規(guī)劃包含五層三體系，從下至上分別為：

邊緣層。提供對園區(qū)內人、事、物的智能感知能力，通過感知設備及網(wǎng)絡實現(xiàn)對園區(qū)內基礎設施、建筑、環(huán)境、安全、事件、人、車等方面的識別、信息采集、監(jiān)測和控制。

基礎設施層。包括物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關、網(wǎng)絡傳輸基礎設施和云計算基礎設施，為平臺和應用建設提供基石。

平臺支撐層。是新型智慧園區(qū)的智能運行中樞層，也是園區(qū)大腦。通過封裝IOT、大數(shù)據(jù)、BIM、AI等技術和語義化模型，對下連接物聯(lián)設備、屏蔽設備感知層的設備差異，對上支撐智慧應用開發(fā)和水平業(yè)務擴展能力，實現(xiàn)統(tǒng)一開發(fā)、承載和運行應用系統(tǒng)。

應用層。基于平臺支撐層提供的數(shù)據(jù)、技術、開發(fā)服務能力，建設基于數(shù)字孿生的園區(qū)規(guī)建管一體化管理、一盤棋管理和三維可視化運營三部分應用。

展示層。支持大屏端、web端和移動端。

安全保障體系。統(tǒng)一端到端安全體系。

運行維護體系。整體的運維管理機制。

標準規(guī)范體系。統(tǒng)一的標準規(guī)范。

六、分項建設內容設計

（一）“云邊端”一體化基礎設施層

新型智慧園區(qū)基礎設施層設計采用云、邊、端協(xié)同分布式架構。由于智慧園區(qū)應用需要處理大量物聯(lián)感知數(shù)據(jù)和應用，通過移動邊緣計算將計算、存儲能力下沉至網(wǎng)絡邊緣，以減少網(wǎng)絡延遲、帶寬消耗，減輕云端中心節(jié)點計算負荷。尤其適用于視頻監(jiān)控、自動巡檢等業(yè)務場景。云、邊、端協(xié)同模式中，云是控制平面，邊是計算平臺，管理終端設備的服務作為邊上的負載。云通過控制邊來影響端，實現(xiàn)云、邊、端協(xié)同。云、邊、端架構網(wǎng)絡承載利用移動邊緣計算和5G網(wǎng)絡切片技術，實現(xiàn)園區(qū)內無線專網(wǎng)覆蓋。

（二）園區(qū)智能中樞

1.數(shù)字孿生平臺

數(shù)字孿生平臺，即CIM平臺，是數(shù)字孿生新型智慧園區(qū)的核心，是對城市/園區(qū)地上地下、室內室外各種實體目標及時空狀態(tài)的數(shù)字化表達，是園區(qū)綜合信息載體。CIM平臺在新型智慧園區(qū)建設中主要用于四部分應用：

構建園區(qū)全空間模型[4]。打通BIM、GIS、IoT等數(shù)據(jù)，構筑全空間一體化園區(qū)模型，是所有智慧應用的數(shù)字底座。

園區(qū)規(guī)建管一體化建設[4]。基于CIM一張圖可實現(xiàn)園區(qū)規(guī)劃-建設-運營全生命周期管理和數(shù)據(jù)資產(chǎn)沉淀。

促進園區(qū)業(yè)務融合[4]。基于CIM平臺打造上層智慧應用，可統(tǒng)一建設集成各類智慧應用至CIM平臺，實現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)動，實現(xiàn)人、車、物、環(huán)境、能源、事件多要素一體化管理。

實現(xiàn)園區(qū)事件一體化處置[4]。基于CIM平臺可整合及串聯(lián)事件處置全人員、全物資、全過程，并實現(xiàn)事件處置過程中的數(shù)據(jù)共享及協(xié)作，更高效地實現(xiàn)事件處置時空一體化。

2.物聯(lián)感知平臺

物聯(lián)感知平臺提供對園區(qū)內人、事、物的智能感知能力，向下對接邊緣層感知設備，向上為CIM平臺、大數(shù)據(jù)中樞提供園區(qū)建筑、設備設施、人、環(huán)境、安全等物聯(lián)接入數(shù)據(jù)。新型智慧園區(qū)物聯(lián)感知平臺需支持平臺和邊緣網(wǎng)關協(xié)同實現(xiàn)多源異構設備和子系統(tǒng)集成，實現(xiàn)采集底層感知數(shù)據(jù)并提供遠程控制能力，數(shù)據(jù)采集后根據(jù)資產(chǎn)編碼體系進行統(tǒng)一處置后傳輸至大數(shù)據(jù)中樞進行清洗和標準化處理。平臺需支持主流設備聯(lián)網(wǎng)方式（Wi-Fi、2/3/4/5G、NB-IoT、以太網(wǎng)等）、網(wǎng)絡傳輸交互協(xié)議（HTTP、MQTT、CoAP、LwM2M、ZigBee等），支持千萬級IOT設備接入。

3.大數(shù)據(jù)中樞

大數(shù)據(jù)中樞以建立園區(qū)大數(shù)據(jù)倉儲為核心，實現(xiàn)以數(shù)據(jù)資產(chǎn)價值挖掘，建立以數(shù)據(jù)為核心的園區(qū)發(fā)展管理決策體系。大數(shù)據(jù)中樞包含數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)倉儲體系及數(shù)據(jù)價值開發(fā)等能力。

4.應用支撐中樞

應用支撐中樞為上層共性應用開發(fā)技術賦能，為上層應用提供技術賦能與統(tǒng)一開發(fā)服務支撐，提供可視化頁面開發(fā)和流程設計，包括開發(fā)服務、沙箱服務和業(yè)務資產(chǎn)服務等方面。

5.人工智能中樞

人工智能中樞以園區(qū)業(yè)務視角，為園區(qū)智慧應用開發(fā)構建基于AI技術的可復用技術模型，如視頻分析、語義分析、OCR分析等，為上層應用快速注入智能識別、智能預測等能力。

（三）智慧化應用

1.“規(guī)建管”一體化管理

“規(guī)建管”一體化決策中心包括：

園區(qū)開發(fā)建設項目一張圖。基于園區(qū)CIM平臺，疊加開發(fā)規(guī)劃建設過程中各類現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，統(tǒng)籌管理平臺工程建設項目階段成果，形成園區(qū)開發(fā)建設一張圖。

三維規(guī)劃輔助審查決策子系統(tǒng)。基于輕量化BIM智能審查技術的規(guī)劃方案輔助審查決策，包括規(guī)劃多方案比選、區(qū)域控高審查等功能。

施工圖輔助審查決策子系統(tǒng)。基于輕量化BIM智能審查技術的施工圖輔助審查決策，包括建筑消防智能審查、結構智能審查等功能。

基于BIM的建設項目綜合監(jiān)管子系統(tǒng)。將園區(qū)建項目的工地建設信息以標準化、集成化方式統(tǒng)一接入，實現(xiàn)對園區(qū)內工程建設進度、質量、安全、勞務等全方位三維可視化綜合監(jiān)管。

竣工數(shù)字化交付。工程建設全生命周期數(shù)據(jù)沉淀以三維模型的形態(tài)集結，形成面向園區(qū)運營場景的數(shù)據(jù)底盤。

2.“一盤棋”管理

“一盤棋”管理主要面向園區(qū)入駐企業(yè)和公眾提供公共服務。企業(yè)公共服務主要以智慧物業(yè)管理為主，包括但不限于物業(yè)管理、門禁管理、園區(qū)一臉通、停車管理、報事報修、巡更巡檢、智慧黨建、企業(yè)服務、會議室管理等常見應用。由于此部分均為常見應用，故功能不贅述，僅選取2個同數(shù)字孿生緊密結合的應用予以介紹：

巡更巡檢。為園區(qū)物業(yè)人員提供巡更任務管理功能，支持基于CIM三維可視的巡更點管理、巡更路線管理、巡更打點等。支持巡檢計劃及過程管理，支持基于CIM的設備巡檢計劃編輯及記錄，支持設備過保告警設置等。

會議室管理。園區(qū)為企業(yè)提供統(tǒng)一的會議室管理服務，支持App端進行三維可視化會議室預約。

公眾服務主要以園區(qū)生活服務為主，包括但不限于智慧食堂、快遞機器人、智慧燈桿、智能垃圾桶等系統(tǒng)，常見功能在此不贅述。

3.三維可視化運營

三維可視化運營是數(shù)字孿生園區(qū)最具價值應用，以三維可視化空間為載體集成多方數(shù)據(jù)管理，將分散的智慧化系統(tǒng)集成到統(tǒng)一的可視化平臺上，建立統(tǒng)一視圖，實現(xiàn)系統(tǒng)應用聯(lián)動、數(shù)據(jù)互通聯(lián)動，一屏掌握園區(qū)所有動態(tài)。典型應用包括但不限于如下：

CIM+生命線安全監(jiān)測。基于CIM+AIOT技術，對園區(qū)范圍內給排水、燃氣、熱力、電力等地下管網(wǎng)運行狀況進行實時在線監(jiān)測與智能分析預警，并可與應急、公安等政府部門政務系統(tǒng)聯(lián)動處置。

CIM+市政部件管理。基于CIM+ AIOT技術，對園區(qū)路燈、燈桿、井蓋、垃圾桶等市政部件 運行狀態(tài)三維可視化實時監(jiān)管，支持設備故障自動報警，與移動巡檢APP聯(lián)動實現(xiàn)任務智能分配、人員自動定位等巡檢功能。

CIM+安防管理。建設園區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)園區(qū)重要部位、聚集場所、交通要道等位置動態(tài)情況進行實時監(jiān)控，對重點場所、地段引入人臉識別、越界入侵、智能跟蹤、行為分析等智能分析功能。與CIM結合，3D可視化展示所有視頻監(jiān)控點的位置，可實時調用任一點視頻數(shù)據(jù)查看。

CIM+能源管理。建設園區(qū)能源管理子系統(tǒng)，集成聯(lián)動各樓宇智能化子系統(tǒng)能源數(shù)據(jù)，實現(xiàn)三維可視化實時監(jiān)管園區(qū)能源（水電氣熱）數(shù)據(jù)，支持節(jié)能分析與控制、能耗預警等，有針對性地定向對各個區(qū)域下達能源使用的KPI指標，以達到以合理利用能源、節(jié)省能源消耗、減少能源費用支出的目的。

CIM+智慧交通。基于CIM平臺，對園區(qū)停車場車位空閑情況進行在線監(jiān)測，實時采集停車相關數(shù)據(jù)，為園區(qū)停車誘導信息發(fā)布、預警提供數(shù)據(jù)支撐，為園區(qū)交通決策分析提供有效技術手段和數(shù)據(jù)支持。

（四）標準規(guī)范體系

制定新型智慧園區(qū)標準規(guī)范體系，包含技術支撐與平臺標準、應用標準、數(shù)據(jù)標準、數(shù)據(jù)共享互通標準、網(wǎng)絡安全標準，規(guī)范新型智慧園區(qū)平臺及應用建設，更好地實現(xiàn)規(guī)建管一體化協(xié)同發(fā)展。

七、結束語

綜上所述，5G、IOT、AI、大數(shù)據(jù)等技術為產(chǎn)業(yè)園區(qū)提供了廣泛連接和智能化計算處理能力，數(shù)字孿生CIM技術為產(chǎn)業(yè)園區(qū)提供協(xié)同、立體、聯(lián)動的數(shù)據(jù)和應用支撐。兩者相結合，統(tǒng)籌“資本、產(chǎn)業(yè)、空間”三大動力，賦能園區(qū)投資管理、建設管理、運營管理一體化治理，助力我國新型智慧園區(qū)發(fā)展進入虛實協(xié)同、深度學習、自我優(yōu)化、內生發(fā)展的3.0時代。

作者單位：顧佳櫻 中設數(shù)字技術股份有限公司

夏振中 中國電信股份有限公司武漢分公司

參" 考" 文" 獻

[1]徐丹明.新型5G智慧園區(qū)建設的探索與研究[J].理論研究，2020（12）：1520.

[2]數(shù)智園區(qū)白皮書——阿里云、德勤.

[3]中國聯(lián)通5G超智能園區(qū)白皮書.

[4]金程，沙默泉，郭中梅，等.基于CIM的智慧園區(qū)建設探析[J].信息通信技術與政策，2020（11）：34-38.