基于CIM 的智慧園區技術探索與落地實踐

周強 唐偉 孫浩 臺思 王樹濤 余海威 郭睿

(中國建筑西南設計研究院有限公司，成都 610042)

引言

隨著我國城市化進程的加快，智慧城市建設已成為國家發展戰略之一。作為智慧城市建設的重要組成部分，CIM（City Information Modeling，城市信息模型）技術在近年來得到了廣泛應用。CIM 是以建筑信息模型（BIM）、地理信息系統（GIS）、物聯網（IoT）等技術為基礎[1]，整合城市多維多尺度信息模型數據和感知數據，構建三維數字空間的城市信息有機綜合體[2]。隨著CIM 技術的廣泛應用，其體系逐漸清晰，核心技術包括物聯感知技術、GIS 與新型測繪技術、孿生建模技術、可視化渲染技術、仿真推演技術和交互控制技術等。應用場景的尺度延伸促進了技術引擎的深度融合，如將GIS 引擎的數據管理調度和空間分析等能力與Unreal Engine （簡稱UE）、Unity 等游戲引擎的場景表現能力緊密結合、利用IoT 引擎與WebGL 引擎的融合，將模型與物理空間掛接，實時加載物聯網數據，實現動態化管理。

在智慧城市這一先行理念的引導下，智慧園區的概念進入了公眾的視野，作為智慧城市的重要組成單元，智慧園區的體系結構與發展模式是智慧城市在一個區域范圍內的縮影。數字孿生是智慧園區技術層面的抓手，而基于CIM 技術的數字孿生是其中眾多技術之一，CIM 技術在智慧園區的應用，是把CIM 技術具體落地到園區建設運行中[3]，統籌園區整體全面信息系統的建設應用，真正實現智慧園區的升級落地[4]。CIM 技術在智慧園區的應用落地在國內已有不少成功案例，如青島云谷智慧園區、深圳國際生物谷壩光片區等。

青島云谷智慧園區基于CIM+數字孿生技術，通過打造“IoT 物聯平臺+IoC 決策運營平臺中心+9 大智慧園區服務體系+9 個智慧場景”的個性化解決方案，提供了統一管理、應急部署、互動展示等方面的有效管理和集成，打造了“宜居、宜業”的智慧園區。

深圳國際生物谷壩光片區的CIM 技術實踐，目標是片區內的工程透明、數據可視可控和輔助決策。通過搭建壩光CIM 標準體系，在標準框架下對BIM 模型整合，建設壩光CIM 管理平臺和運維系統，實現壩光片區的“規、建、管”一體化[4]。

綜上，目前CIM 的研究應用大多聚焦在城市層面，而開展落地實踐往往是從城市的某一區域著手。一是因為CIM 是宏觀與微觀相結合，必須要落地到建筑單體，園區恰恰是建筑單體的直接管理單位，能帶來更細致的需求場景；二是因為目前CIM 技術難以支撐城市級體量的、室內外一體化融合分析與應用[5]。在此背景下，基于CIM 的智慧園區技術探索與落地實踐具有很強的可行性和必要性，本文以獨角獸島智慧園區為例，詳細介紹在該項目中對CIM 技術的應用和思考。

1 基于CIM 的獨角獸島智慧園區技術實現

獨角獸島智慧園區建設項目，位于成都市天府新區，總規模約144 萬㎡。項目充分應用城市信息模型CIM 技術構建其場景及智慧應用，主要建設內容包括數字孿生平臺建設、多災種監測預警、“規-建-運”全生命周期管理、智慧能源雙碳等亮點應用場景，獨角獸島數字孿生平臺園區整體態勢如圖1 所示。項目按照成都市智慧園區四星級認證標準，打造國內一流的毫米級精度數字孿生園區。

圖1 獨角獸島數字孿生平臺園區整體態勢圖

1.1 總體技術架構

獨角獸島智慧園區的總體技術架構分為數據資源、通用服務平臺、數字孿生CIM 平臺。其中，數據中臺、物聯中臺提供基礎技術支撐服務，CIM 平臺提供基礎引擎服務、模型處理與渲染服務和數據服務能力，協同為整個智慧園區提供數據治理、場景可視化、管理精細化等能力，總體技術架構如圖2 所示。

圖2 總體技術架構圖

物聯中臺對前端感知設備進行統一管理，包括數據采集、空間定位、統計分析和狀態監測等多種應用，各類應用通過智能終端實現數據采集。在此基礎上，實現無線傳感、實時監測和狀態信息的動態以及實時管理[6]。

數據中臺通過設計開發基于CIM 技術的智能管理系統的多維時空數據庫，實現從空間、時段和內容等方面的信息采集、處理、管理和應用支撐，從而滿足現階段的通用性需求和下階段的大數據挖掘需求[6]。

CIM 平臺的基礎引擎服務提供包括不限于WebGL可視化引擎服務、UE 渲染游戲引擎服務、海量BIM模型加載服務、多源數據融合服務以及實體對象計算服務等服務能力。通過三維地理信息系統（3D GIS）與建筑信息模型（BIM）之間無縫和信息無損集成技術[7]，融合各類動態IoT、事件數據，創建基于CIM技術的動態化、智能化管理平臺。針對海量數據融合可視化過程中存在的圖像快顯的漸進傳輸、數據的輸入或輸出與處理之間的并行和數據處理的高內存占用等關鍵問題，采用海量數據圖像處理技術、海量數據快速可視化技術和基于視窗預測的矢量與三維BIM 模型數據一體化動態加載技術等來解決，尤其解決了可視化過程中的矢量、業務和三維等多維數據展示問題，實現多維數據快速流暢的可視化。

CIM 平臺的模型處理與渲染服務提供包括多格式模型轉換、多模型融合、三維特效疊加以及BIM 模型數據處理等模型服務能力。兼容主流BIM 模型、點云模型格式，采用BIM 轉換解析技術、大型關系數據庫技術以及非關系型數據庫技術。基于系統間開放互聯、數據互通和網絡環境的需求，形成以完備的時空地理數據庫為基礎[6]，提供基礎應用場景，支撐平臺的相關應用，實現數字化園區的時空地理信息承載平臺。

CIM 平臺的數據服務提供包括數據匯聚與管理、數據查詢與可視化、數據共享與交換、平臺分析、平臺運行以及支撐能力等服務能力。基于底層數據分級分層組織技術（包括影像數據分層、LOD 模型分層等）、面向對象的多源數據管理技術和時空數據組織模型技術實現海量異構時空數據的高效組織和管理，支持海量時空數據的高效檢索和調用。同時支持圖片、文字、視頻、遙感影像、矢量、三維、點云及高程(DEM)等各種異構數據。針對多源數據，內置二三維數據分析能力，提供在線或離線計算能力。

1.2 關鍵技術點

1.2.1 全要素場景建模能力

創建獨角獸島全要素場景模型是構建數字孿生應用的重要步驟之一，需要展現獨角獸島物理實體的幾何圖形、屬性、行為和規則等。除了在外觀結構和物理實體一致，全要素場景模型還需模擬物理實體的時空狀態、行為和功能等。

本項目主要采用以下關鍵技術手段創建獨角獸島全要素場景模型。

（1）BIM 模型輕量化。通過對原始BIM 模型數據進行清洗、減面、壓縮等操作，減少模型的體量和復雜度，以在實際項目中提高BIM 模型的運行效率，使其更適合在電腦、手機等終端上查看和交互。本項目在已有BIM 模型的情況下，需要對原始BIM 模型數據進行清洗、減面、壓縮等操作，以在實際項目中提高BIM 模型的運行效率；

（2）傾斜攝影。通過無人機搭載的多臺相機從多個角度采集影像數據。通過其中一臺相機獲取地物的垂直影像，另外四臺相機將傾斜角度保持在40°~60°的范圍，從前后左右四個方向同時獲取側視影像，從而獲取完整、準確的地物輪廓和紋理信息；

（3）人工測繪。部分場景無法通過BIM 模型處理以及傾斜攝影解決，需采用人工測繪方式來構建。

1.2.2 UE 與WebGL 雙引擎渲染能力

數字孿生場景渲染能力是當下數字孿生項目實際交付過程中的核心關注能力之一。目前在三維渲染引擎的技術選型上通常是兩種方案，一種是基于C/S 架構的主流游戲引擎技術路線（UE、Unity 等），另外一種是基于B/S 架構的WebGL 技術路線。

基于WebGL 的技術路線是基于WebGL 封裝的渲染庫進行開發，如three.js、babylon.js，適用于效果要求不高的場景[8]。其優勢在于：

（1）靈活性高。根據業務需求深度定制，易于其他業務系統通信或集成；

（2）代碼冗余少。易于問題排查；

（3）建設成本低。

其劣勢在于：

（1）復用性低。根據業務需求深度定制可復用的代碼少，難以模塊化；

（2）效果較差。能支撐的三維場景體量小，能達到的渲染效果比較有限，難以實現中大型場景或較為寫實的場景風格；

UE 是一款由Epic Games 開發的游戲引擎，用于創建電子游戲、虛擬現實和數字孿生等內容。UE 提供了完整的工具集，包括編輯器、資源管理器、代碼編輯器和調試器等。UE 在數字孿生領域中發揮著重要的作用，可用于創建高度仿真的虛擬環境，實現虛擬演練、測試和模擬。其優勢在于：

（1）強大的渲染引擎和物理模擬系統，可實現高質量的圖形渲染和物理模擬。UE 的渲染引擎使用了基于PBR（Physically Based Rendering）渲染技術，可以模擬真實物體的反射、折射等光學效果，使場景更真實；

（2）支持實時渲染，可以讓開發者在編輯器中實時預覽場景效果，通過編輯器實時調整場景中的元素、光照、材質等參數，更好地觀察和調試場景；

（3）UE 所提供的藍圖可視化腳本可以快速構建業務邏輯和應用功能。

其劣勢在于：

（1）渲染成本高，對于資金預算緊張的項目需慎重考慮；

（2）對硬件設施要求高，對展示端和服務器圖形工作站有較高的配置要求；

（3）只支持C/S 架構，不能實現多端訪問。

本項目基于B/S 和C/S 兩種技術架構以及云渲染技術架構，采用UE 與WebGL 雙引擎渲染技術路線。采用雙引擎渲染的優勢在于：

（1）兼容性更強。UE 支持多種平臺發布，包括桌面和移動端等，WebGL 則兼容所有支持HTML5 Canvas 的瀏覽器。兩者結合可實現更廣泛的兼容性；

（2）渲染更高效。利用UE 的強大渲染引擎和WebGL 的硬件加速功能，實現更快速、更流暢的3D渲染效果，尤其是在處理大規模數據和復雜場景時；

（3）交互性更強。UE 具有極高的自由度，實現復雜交互邏輯，WebGL 可通過JavaScript 編寫游戲邏輯，直接嵌入到網頁中，無需安裝額外的軟件。兩者相結合，可以實現更好的交互性，讓用戶體驗更加豐富。

1.2.3 虛實交互與實時仿真能力

數字孿生系統的虛實交互操作性，意味著在虛擬世界中的操作能夠在真實物理世界得到反饋，這樣的虛實交互、虛實聯動，是從看見數字化轉變到受益于數字化的關鍵。

在建設過程中，強調虛實共生。設置智慧運營指揮中心，業務決策人發現異常事件后拉起相關負責人發起視頻會議做出決策，對應的任務下派給一線業務人員，一線業務人員上報情況后事件處理的結果能在場景中反饋出來。

完整的聯動指揮體系其中的關聯的數據包含人、事、物。“人”即園區公眾；“事”指日常任務、異常事件的告警，以及提前設定好的預案；“物”是物聯網設備數據，如攝像頭、煙霧報警器、閘機等。獨角獸島數字孿生平臺智慧安防整體態勢如圖3 所示。

圖3 獨角獸島數字孿生平臺智慧安防整體態勢圖

通過數據中臺整合物聯網感知設備、樓宇自控系統等各種分散的數據，以及事件樞紐中心等協同系統，用協同系統實現任務流程管理、任務臺賬。結合場景構建能力、業務場景協同能力實現智慧能源、智慧安防等應用場景。

1.2.4 場景應用敏捷交付能力

伴隨著快速增長的智慧園區數字孿生應用場景需求，緩慢的定制化開發與快速交付需求的矛盾日益突出。為滿足快速發展的場景應用需求，本項目采用敏捷開發的思想，充分復用既有數字資產，持續提升數字孿生技術對園區業務的支撐作用。

本項目敏捷交付的思想主要體現在兩個方面：

（1）數字孿生場景編排中心。平臺接入數據中臺的數據、接入業務中臺的業務能力、接入數字孿生中臺的模型處理及多種能力，提供場景配置、接口配置、業務集成配置、資源管理、應用發布等能力，通過“拖、拉、拽”等多種配置方式，快速構建園區應用，實現高效地實施落地；

（2）智慧園區業務編排中心。通過全面分析園區全生命周期的業務需求，挖掘共性業務，建立園區業務模型、業務流程、業務服務，建立業務中臺。通過業務中臺持續沉淀智慧園區業務能力，實現高效復用。

2 獨角獸島智慧園區特色應用及建設亮點

2.1 軍民融合政策的貫徹——多災種預警安全監測

獨角獸島多災種預警應用包含了北斗建筑安全監測、地震預警等應用。針對建筑物復雜材料的組合、高藝術性的異形設計、大荷載的高層構造，引入北斗系統對建筑安全智能監測，實時監測建筑的形變情況，評估其健康狀況；將電梯內的地震預警接收終端與地震預警中心連接，實時接收地震預警中心發出的預警信息，提示用戶進行合理避險，操縱電梯自動平層就近停靠，保證人員生命財產安全。

2.2 雙碳戰略的落地實踐——智慧能源低碳管控

獨角獸島集中能源站利用區域能源，結合可再生資源綜合開發利用，耦合多種傳統能源，按多能互補、集中優化原則建設多源協調、多網融合的智慧能源微網，在能源站利用熱泵技術制取冷熱量，由功能管道網運送至各換熱站進行換熱，換熱后輸送至用戶末端，提供綠色、低碳、穩定的冷熱供給。

此外，匯聚能源數據，實現了園區能耗的統一可視化監測管，為用能企業提供有針對性的用能建設，指導低碳園區建設。同時構建雙碳目標管理平臺，調整改善園區能源結構所產生的減污降碳協同效應，提高管理的科學性和精準性。獨角獸島數字孿生平臺智慧雙碳局部態勢如圖4 所示。

圖4 獨角獸島數字孿生平臺智慧雙碳局部態勢圖

2.3 園區全生命周期管理——“規、建、運”一體化管控

利用CIM 數字孿生技術實現對獨角獸園區的規劃設計、建造和運營全生命周期管理，基于數字孿生的規劃設計：從全局規劃設計的整體展示獨角獸島的設計亮點到外觀、環保及理念等多維度展示，實現數字孿生空間與現實空間同步規劃、同步設計；在園區建造模塊通過集成智慧工地子系統，實現建筑人員精細管控、生長進度推演以及BIM 指導施工，實時反饋獨角獸成長歷程；在園區運營模塊通過園區應急指揮調度、招商營銷、綜合安防及智慧交通等多維度的數據監測分析，全面展示園區的運行態勢，降低人力成本，提高管控效率。

2.4 運營及盈利模式的創新——運營模式數字化轉型

在新的經濟和商業模式下，企業對園區的設施和管理服務提出了更高的要求。園區的運營和管理模式已不再是簡單的空間運營管理，而是轉向多元化的運營服務模式。針對企業的痛點，提供個性化服務解決方案，吸引和聚集更多優質企業，增加企業粘性。

對于提升園區品質，實現地產保值增值的需求[9]，首先對空間進行合理規劃，增加休閑及文化藝術的空間設施，同時利用智慧化的手段，為園區的招商運營、節能環保賦能。

數據逐漸成為園區的核心資產，數據資產管理是獨角獸島智慧產業園區建設的核心抓手之一。把業務轉化為數據并數據資產存儲，打通系統間的數據通道，把數據資產真正利用起來，通過分析處理，建立基于運營邏輯的模型，為園區的日常運營管理提供決策支撐[10]。

3 結論與展望

基于CIM 技術的智慧園區的核心價值是通過數字化技術建立高集成度的數據閉環賦能體系，生成園區三維數字虛擬映像空間，全面感知獲取園區運行方方面面的動態信息，形成軟件定義園區、數據驅動決策和虛實交融的數字孿生園區雙體，使得園區服務、運行、規劃處設及管理這幾方面由實入虛，準確記錄、仿真、演化和操控，同時由虛入實，優化物理空間中園區資源要素的配置，形成智慧園區建設和治理新范式。

（1）在技術方面，全面感知和泛在連接是智慧園區未來深度發展融合的重要技術支撐。通過感知連接、邊緣計算和云計算等技術，采集人機物事的狀態數據和業務數據，匯聚到智慧化平臺，實現數據業務的融合及實時分析和決策。基于AI 的園區各項功能可以不斷適應、優化和調整，使得園區生命體不斷演進和迭代，使得“主動服務”“智能進化”成為未來智慧園區的能力，將“以人為本、綠色高效、業務增值”作為未來發展的根本目標；

（2）在應用方面，園區的管理和運營實現智慧化是未來園區發展的必然趨勢。智慧園區監控和管理決策系統建設，充分整合園區內各信息化系統，實現人、物隨時隨地接入智慧網絡，獲取智慧園區資源利用、生態環境、園區安全、規劃建設、園區管理、能源管理及人員來訪的實時數據和信息。使用者足不出戶就能身臨其境地實時掌握操作園區環境、運營場景及基礎設施等的實時狀態和利用狀況，實現對園區實時動態的感知，提高園區管理水平和服務質量。

綜上所述，CIM 技術在智慧園區建設中具有廣泛的應用前景和重要的價值意義。基于CIM 的智慧園區在未來將更加注重數字化、網絡化和可視化的運營管理，同時將與城市的醫療智慧化、交通智慧化和農業智慧化等方面相互融合，形成一個真正意義上的智慧城市生態系統，為人們創造更加美好的生活。