基于數字孿生的智慧建筑系統集成研究

杜明芳

(清華大學信息國家研究中心，北京 100084)

1 智慧建筑系統集成內涵與現狀

“系統集成”英文是System Integration，簡稱SI。系統集成作為一種新興的服務方式，是近年來國際信息服務業中發展勢頭最猛的一個行業。系統集成的本質是最優化綜合統籌設計。在IT領域，所謂系統集成，是根據客戶的具體業務需求，將硬件平臺、網絡設備、操作系統、工具軟件以及按客戶需求開發的應用軟件，集成為功能和信息相互關聯的IT系統。在智能建筑領域，伴隨著智慧城市的蓬勃發展，“系統集成”正在逐漸成為智能化工程的“標配”和“剛需”，也正成為建筑科學領域研究和關注的熱點。

我國國家標準《智能建筑設計標準》(GB/T50314—2000)中規定：系統集成(SI)是將智能建筑內不同功能的智能化子系統在物理上、邏輯上和功能上連接在一起，以實現信息綜合、資源共享。一般認為，智能建筑的系統集成從概念上講，有廣義系統集成和狹義系統集成兩種。廣義系統集成強調的是以建筑物為基礎，結合水暖電以及運營和服務等多方位的全面集成。狹義系統集成則僅限于弱電系統的集成，也就是BMS(Building Management System)層次的系統集成。BMS系統集成的本質是實現各個集成子系統之間的信息交換、對各集成子系統實行統一的監督管理及控制。

智慧建筑系統集成最初的也是最基本的目的在于解決獨立系統造成的“信息孤島”現象。智能建筑系統涵蓋的內容相當廣泛。據不完全統計，當前智能建筑涉及到的不同子系統已達30多個，包括樓宇自控、安防系統、消防報警系統、門禁系統、公共廣播等，而這些系統在智能化初期基本都是單獨建設，采取相對獨立的技術路線、系統設備和控制軟件。這樣使軟硬件之間、系統與系統之間、以及系統運行與實際管理之間相互分割，造成資源浪費，形成了一個個“信息孤島”，難以適應客戶綜合監控與集中管理的要求。于是，具有統一軟件平臺的智能建筑集成化管理系統應運而生。系統集成的目標就是要把不同功能、不同技術、不同廠商、不同要求、不同操作平臺，不同接口的不同設備和系統，用統一的系統平臺連接起來，協同運轉，最終實現一體化管理，從而提高整個建筑的智能化與信息化水平。

2 智慧建筑系統集成難點分析及數字孿生系統集成法的提出

從智慧建筑集成化系統實際應用情況來看，目前異構子系統間主要存在以下異構特征：

(1)硬件平臺的異構。從大、中、小型計算機到工作站、個人計算機、工控機； 從現場總線、工業控制網、局域網到廣域網。

(2)操作系統的異構。有DOS、Windows 3.1、Window 9.x、Windows NT、UNIX、OS/2、Linux 等。

(3)數據庫管理系統的異構。有文件結構、Access、dBase、FoxPro、Oracle、Sybase、DB2、Informix 等。

(4)開發工具的異構。各個應用系統的開發工具不同，可能會是匯編語言、Turbo C、Borland C、VC、VB、PB、Delphi、Java 等。

“系統集成”，更確切地講應該是數據的融合、網絡的融合、架構的融合、知識的融合。目前智慧建筑系統集成的難點集中在以下幾個方面：(1)管理層與控制層的互聯互通；(2)異構網絡之間的融合；(3)大數據背景下的實時集成與約簡集成；(4)可視化仿真模擬下的立體透明集成。

目前智慧建筑系統集成的幾種主要方式及其特點如下：

(1)以硬接點方式進行系統集成

也稱為以干接點方式進行系統集成。即通過增加一個設備子系統的輸入/輸出接點或傳感器，接入另一個設備子系統的輸入/輸出接點進行集成。

(2)以樓宇自控系統BAS為中央平臺進行系統集成

即樓宇自控系統通過計算機網絡聯接其他子系統，樓宇自控系統可以監測、控制和管理其它集成子系統。這就相當于將樓宇自控系統與BMS集成系統合二為一。優點是可充分利用BAS平臺所提供的強大的網關轉換功能，將各子系統連通； 缺點是一旦樓宇自控系統發生故障出現停機BMS集成系統也就會癱瘓，失去對其余各子系統監控和管理的能力。

(3)基于子系統并行和OPC方式進行系統集成

這是在總結以上經驗的基礎上提出的，其核心思想是：將整個大系統分成管理層和控制層兩個網絡層次，中央數據庫位于管理層，各子系統位于控制層，各子系統的實時數據通過開放的工業標準接口(如OPC接口、Modbus協議)以平等方式集成到中央數據庫，管理層通過BMS系統的核心調度程序對各子系統實現統一監控、管理。這是目前公認的最先進的手段，比起前兩種，其優勢不言而喻。但它只強調了“通過開放的工業標準接口”集成，沒有涉及到如果有些設備或平臺不支持某些工業標準的情況——在工程實際中，這種情況經常會發生。另外，這種只靠標準協議實現集成的做法有很大的局限性。很多時候子系統或中央監控平臺并不能提供標準協議接口，那么這種方案就徹底失效了。

以上經典系統集成方法各有優劣，仍在工程中廣泛使用。但這些集成方法均不能解決建筑工業化和建筑大數據時代智慧建筑系統集成的新需求。新的時期，智慧建筑系統集成的新需求集中體現在：能夠實時可靠處理建筑大數據，能夠滿足建筑工業化趨勢，能夠滿足數據安全智享訴求，能夠建立在科學模型基礎之上。為此，提出基于數字孿生的智慧建筑系統集成方法，該方法可滿足新時期的系統集成新需求，實現建筑工程全生命周期集成。

數字孿生綜合圖形圖像學、系統工程、智能控制、數據科學、地理信息系統等多學科的特點，面向實際應用系統的數字化工程需求，提供以數據線索關聯、以多模型仿真的綜合集成方法。數字孿生系統集成法適合各種大小的系統，在智能建筑系統中，從單個建筑構件、單個設備到大型建筑智能化工程，都可以采用多粒度數字孿生集成思路進行不同層級上的集成，然后再進行縱向集成，最終實現縱橫交織的透明化互聯互通。

數據的流動是一個建筑智能化系統的生命源泉。在一個現代化的建筑物中必須對各個方面的數據進行交換和處理。這些數據包括：報警信息、控制信息、監測信息、設定值更改信息、手動控制信號、日程改變信息、系統維護信息、事件報告信息、質量控制信息、能源管理和企業調度信息等。對這些數據的訪問應該簡單、快速和方便，因此必須實現數據集成以降低通信的成本。建筑物的用戶對系統會有不同的要求，不同的用戶可以根據自己的需要，在系統中、在家里、甚至在旅途中都能通過不同的途徑訪問這些數據。因此建筑物的各個子系統必須能集成運行、簡化操作、降低成本。為了滿足這些要求，集成化的系統必須建立在一種先進且開放的技術平臺上，不受當前或近期技術水平的限制。既要采用當前最新的技術，又要考慮到未來的發展； 既要降低建造和運行成本，又要易于管理，盡快獲得投資回報。數字孿生系統集成平臺可有效滿足上述需求。

3 信息物理系統與數字孿生

信息物理系統(CPS，Cyber-Physical Systems)是一個綜合計算、網絡和物理環境的多維復雜系統，通過3C(Computer、Communication、Control)技術的有機融合與深度協作，實現大型工程系統的實時感知、動態控制和信息服務。信息物理系統作為計算進程和物理進程的統一體，是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統。信息物理系統使用信息虛體以遠程、實時、安全、可靠、協同的方式操控物理實體，采用人機交互接口實現人和信息物理空間的交互，將人類智慧賦能到信息物理系統。從本質上說，CPS是一個具有控制屬性的網絡，同時也是一個具有網絡屬性的控制系統。美國國家科學基金會用“信息物理系統”一詞來描述傳統術語無法有效說明的日益復雜的系統。美國國家科學基金會(NSF)認為，CPS將讓整個世界互聯起來。CPS目前已被列為美國研究投資的重中之重。在德國，CPS同樣被認為是工業4.0的基礎和內核。

數字孿生(DT，Digital Twin)的概念源自工業制造領域。數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。數字孿生七要素可總結為：物理空間、數字空間、數據、模型、控制、管理、服務。美國國防部最早提出將Digital Twin技術用于航空航天飛行器的健康維護與保障。Digital twin最為重要的啟發意義在于，它實現了現實物理系統向信息空間(賽博空間)數字化模型的反饋。這是一次工業領域中逆向思維的壯舉。從基于數據流和業務流的控制系統角度來看，只有帶有反饋回路的系統才能真正實現數據全生命周期跟蹤，才是真正的全生命周期概念，才能真正在數據全生命周期范圍內保證信息世界與物理世界的協同。智能系統的智能首先要感知、建模，然后才是分析推理和智慧決策。各種基于數字化模型的仿真分析、數據挖掘及人工智能應用，都是為了實現與現實物理系統的更好適配。如果沒有Digital twin對物理實體的模型化描述，所謂的智能系統就是無源之水。

4 基數字孿生的智慧建筑系統集成模式

如果將建筑看作一種物理系統，那么智慧建筑系統集成就可看作是人(人類智慧)、建筑物理實體、建筑信息虛體三者的融合。在以海量大數據、人工智能、5G物聯網、區塊鏈可信計算為主要技術代表的智能時代，智慧建筑系統集成的內涵呈現出“五全”綜合特征：全域立體感知、全系統可信互聯、全體系精準管控、全數據智能決策、全景實時可視交互。在以上特征不斷深化發展的基礎上，智慧建筑系統集成正朝著數字孿生建筑方向快速演進。數字孿生建筑是數字建筑與物理建筑的融合體，其技術模式的核心是數據線程和模型體系。數字孿生建筑是智慧建筑系統集成的有效方法與根本路徑。基于CPS和數字孿生的智慧建筑系統集成模式如圖1所示。

圖1 基數字孿生的智慧建筑系統集成模式

基于數字孿生的新型智慧建筑系統集成參考模型，即數字孿生建筑系統集成參考模型如圖2所示。

圖2 數字孿生建筑系統集成參考模型

參考模型包含五個層次：單元級、單系統級、集成系統級、企業級、商業級。每個層級內部均可采用數字孿生，從而實現多個顆粒度上的數字孿生。

單元級系統集成：從虛擬建筑設備的維度實現對建筑設備的生產要素、運行過程、維護活動等的控制與管理。

單系統級系統集成：單系統主要包括消防、安防、樓宇自控及其所包含的更低一級子系統。實現物理子系統與虛擬子系統的雙向映射與實時交互，實現物理子系統及虛擬子系統的全要素、全流程以及多業務數據的融合。

集成系統級系統集成：構建智慧建筑集成管理系統(SBMS)云平臺，使建筑具備虛實聯動、數據驅動建設、管理及運營的能力。基于數字孿生進行建筑工程全生命周期管控、調度及決策，探索最優化建筑管理新模式。

企業級系統集成：構建企業資源計劃系統(ERP)云平臺，主要實現客戶關系管理(CRM)和供應鏈管理(SCM)。使智能建筑集成系統資源和信息與企業管理系統有機融合，探索最優化企業管理新模式。

商業級系統集成：在智慧建筑集成管理系統和企業資源計劃系統基礎上構建商業級智慧建筑集成管理系統(BI-SBMS)云平臺，使建筑具備商業智能能力，實現建筑智能經濟生態。

基于數字孿生的智慧建筑集成系統的一個突出趨勢是共享化。在共享智慧建筑集成系統領域，設施、工具、信息、數據、服務等都可以通過共享平臺和共享模式實現共享和交換，從而使得以上資源加速流轉，發揮更大作用，取得更大經濟效益。共享模式是破解資源短缺，實現高效發展的重要途徑，無論是體量還是運營模式及種類，智慧建筑系統集成領域都存在極大發展空間。以智慧建筑集成系統云腦為共享中心的智慧建筑集成系統共享模式如圖3所示。

從技術實現層面來看，需要以數字孿生系統組態軟件平臺為中心，銜接物理孿生體空間中的部件要素和數字孿生體仿真系統。組態軟件平臺通過程序實時比較信息系統和物理系統兩個空間中的參數值，計算虛實系統的誤差，在軟件后臺實現基于智能算法的誤差自動校正、資源自動配置及虛實雙系統自動調節與控制。

圖3 智慧建筑集成系統共享模式

圖4 基于組態軟件平臺的數字孿生建筑集成系統

5 總結與展望

目前很多系統由于技術上的障礙無法實現預期的集成或只能進行“假”集成，系統之間并沒有完全按目標實現互連互通，往往一個大系統中有若干子系統在獨立運行，整個工程只是硬件上的簡單堆砌。系統集成不應該是“1+1=2”的簡單疊加，而應是在系統思維指導下的優化運籌和智能約簡。數字孿生系統集成法具有集大成的特點，基于數字孿生理論和方法發展智慧建筑系統集成，有可能在未來成為智慧建筑系統集成理論與工程實踐的主導模式。建筑數字孿生體從數據和模型的角度，依據復雜系統控制與決策理論為建筑信息模型提供了科學性和落地性都極強的解決方案?；跀底謱\生建筑和建筑信息模型，可構建出由模型到系統再到體系的微觀與宏觀一體化的智慧建筑系統集成模式，真正實現基于模型的建筑系統工程。

城市信息模型(City Information Modeling，CIM)是以數字孿生為理論基礎，以城市數據為信息基礎，以城市空間地理信息模型、BIM模型及城市智能計算系統模型等多模型為核心，以數據為線索，建立起的服務于城市場景應用的數字孿生體。建立城市信息模型的目的是使城市信息得到更加科學、嚴謹、統一、明確的表達，為城市建設與治理提供數字引擎。城市信息模型試圖從城市建模的角度為城市提供更加科學嚴謹的表達，以“信息”為主線貫穿城市空間，使物理分散的城市在信息空間中實現邏輯集成，因此能夠更好地優化城市、管理城市、治理城市。CIM應依托數字孿生理論和技術建立，宜采用基于模型的復雜系統工程思維。CIM的建立可由數字孿生建筑互聯產生，這也是CIM構建的一條最可行的路徑。