基于數(shù)字孿生的教學樓智慧運維平臺研究

申家恒SHEN Jia-heng；魏遠帆WEI Yuan-fan；楊欣怡YANG Xin-yi；王文清WANG Wen-qing；陳江彥CHEN Jiang-yan

（石家莊鐵道大學管理學院，石家莊 050043）

0 引言

當前，在以中國制造2025、德國“工業(yè)4.0”為核心的全球第四次工業(yè)革命的浪潮中，實現(xiàn)建筑的綠色化、智能化、智慧化的發(fā)展是時代的潮流所向。隨著新一代信息技術(shù)（如大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等）與制造的融合發(fā)展以及應用，信息物理融合、數(shù)字孿生等技術(shù)迅猛發(fā)展，賦予建筑新的生命成為可能，智慧建筑作為信息化社會的產(chǎn)物得以應運而生。

就建筑的全生命周期而言，運維階段所占比例達55%-75%[1]，復雜的系統(tǒng)往往具有高昂的運維成本，運維管理控制之重要性不言而喻。目前，建筑運維管理階段所面臨的主要難題有：數(shù)據(jù)采集不全、數(shù)據(jù)各自為陣的數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象嚴重；系統(tǒng)的集成度低，缺乏統(tǒng)一、有效的運行維護處理中心平臺；能源浪費現(xiàn)象嚴重、能耗巨大，不符合綠色建筑要求，未形成有效的能耗管理系統(tǒng)；當前建筑的運維模式是被動式的，往往問題出現(xiàn)后才處理，缺乏主動的故障預測和健康管理系統(tǒng)；安全性較低、缺乏對突發(fā)事件的處理能力且運維效率低下，不能使各個系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合達到要素配置最優(yōu)等[2]。

數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展以及應用，為上述問題的解決提供了可靠的途徑。

1 數(shù)字孿生概念

數(shù)字孿生（Digital twin）的概念最早出現(xiàn)在2003 年，由Grieves M.W.教授在美國密歇根大學的產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出[3]。之后，數(shù)字孿生被定義為集成多物理場、多尺度、多概率的仿真過程，基于飛行器的高保真物理模型、歷史數(shù)據(jù)和傳感器感知的實時數(shù)據(jù)等構(gòu)建的與其對應的虛擬模型以刻畫和反映物理系統(tǒng)的全生命周期過程[4]。借助數(shù)字孿生，物理實體和虛擬實體之間實現(xiàn)了實時通信和雙向交互連接，在多維虛擬模型和融合數(shù)據(jù)的雙重驅(qū)動下完成閉環(huán)交互，可用于實現(xiàn)對物理實體變化的監(jiān)測、行為的模擬、狀態(tài)的評估、未來趨勢的預測、性能的提高以及運行的優(yōu)化等，實現(xiàn)物理實體和虛擬實體的同步控制。

2 智慧運維平臺總體架構(gòu)、構(gòu)建方法及功能

2.1 智慧運維平臺總體架構(gòu)

國內(nèi)學者陶飛等人在Grieves 教授提出的數(shù)字孿生三維模型，即物理實體、虛擬實體以及二者之間的連接[5]的基礎(chǔ)之上，創(chuàng)造性地提出了數(shù)字孿生五維模型，即物理實體、虛擬實體、服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)、各組成部分間的連接[6]，如圖1 所示。

圖1 數(shù)字孿生五維模型

本文在數(shù)字孿生五維模型的基礎(chǔ)之上，研究教學樓智慧運維平臺。在此平臺中，物理實體對應教學樓實體，由各種子系統(tǒng)組成，存在于現(xiàn)實空間之中；虛擬實體對應虛擬模型，是對物理實體完全的數(shù)字化鏡像，存在于信息空間之中；服務(wù)系統(tǒng)集有控制、優(yōu)化和預測等各個系統(tǒng)，衍生出各類功能，體現(xiàn)了最終目的；孿生數(shù)據(jù)由教學樓實體、虛擬模型和服務(wù)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)以及三者交互產(chǎn)生的融合數(shù)據(jù)組成，孿生數(shù)據(jù)平臺很好地消除了信息孤島現(xiàn)象，在進行深度數(shù)據(jù)融合基礎(chǔ)之上，不斷挖掘數(shù)據(jù)的價值，是以上三者的驅(qū)動所在；連接則是實現(xiàn)各組成部分之間動態(tài)實時交互、互聯(lián)互通的保障[7]。整體架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 教學樓智慧運維平臺架構(gòu)

2.2 智慧運維平臺構(gòu)建方法

2.2.1 數(shù)字孿生體建模及數(shù)據(jù)采集

模型是數(shù)字孿生的重要組成部分，也是實現(xiàn)數(shù)字孿生相應功能的必要條件。要求其能夠深入地刻畫和反映物理實體的多維屬性、實時狀況，預測物理實體的發(fā)展趨勢，實現(xiàn)虛擬實體對物理實體的忠實、鏡像化反映，進而達成對物理實體的監(jiān)控、仿真、預測和優(yōu)化[8]，在一定程度上實現(xiàn)物理實體和虛擬實體的“同呼吸”。

關(guān)于幾何和物理維度的建模，通常可以采用三維數(shù)字化建模利用Autodesk Revit、AutoCAD、BIMMAKE 等軟件將與教學樓相關(guān)的結(jié)構(gòu)、空間、設(shè)施等信息集合在一起，實現(xiàn)教學樓的信息化、三維可視化。

關(guān)于動態(tài)要素建模，通常需要在教學樓實體中安裝相應的監(jiān)控、RFID 設(shè)備、探測器和傳感器等，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)對教學樓實體的高精度數(shù)據(jù)采集和迅速傳輸。若采用無線傳感器，需要考慮網(wǎng)絡(luò)延遲、堵塞等情況給數(shù)據(jù)的實時性、精度造成的重大影響，采用文獻[9]提出的阻塞自適應數(shù)據(jù)采集方案可以有效地解決網(wǎng)絡(luò)阻塞問題，同時確保數(shù)據(jù)的精度；傳感器的布置和傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建應以安全、快速、準確為原則；解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩嘣串悩?gòu)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議等問題，采用武漢大學計算機學院地球空間信息技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心的蔣俊等人提出的一種基于軟件定義資源的實時控制CPS 數(shù)據(jù)傳輸模式可以有效滿足數(shù)據(jù)跨平臺、跨網(wǎng)絡(luò)、實時性等要求[10]。除此之外，教學樓實體中執(zhí)行器、控制器的布置等問題也需引起同樣的重視。

關(guān)于數(shù)字孿生模型的相應構(gòu)建標準，可參考國內(nèi)學者陶飛等人提出的“四化四可八用”構(gòu)建準則[11]。

2.2.2 教學樓服務(wù)系統(tǒng)

教學樓服務(wù)系統(tǒng)是指在數(shù)據(jù)的驅(qū)動下各類服務(wù)系統(tǒng)功能的集合，可對實體要素進行管控和優(yōu)化。

在教學樓的運維過程中，虛擬模型與教學樓實體進行相關(guān)信息的疊加與實時交互，基于運維的歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)等，虛擬模型對實體要素的狀態(tài)進行分析、評估和預測，服務(wù)系統(tǒng)對初始運維方案進行修正與優(yōu)化，同時下達管控指令至教學樓實體，相關(guān)要素嚴格遵照指令進行調(diào)整并實時將運行數(shù)據(jù)真實反映至服務(wù)系統(tǒng)。當實時數(shù)據(jù)與指令發(fā)生矛盾時，服務(wù)系統(tǒng)將再次對運維方案進行修正并重復上述程序，經(jīng)過數(shù)次迭代，最終實現(xiàn)對實體要素的最優(yōu)配置。該運維階段產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)將錄入孿生數(shù)據(jù)庫，與現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行融合后作為后續(xù)運維的驅(qū)動。

2.3 智慧運維平臺功能[8]

2.3.1 能耗管理

能耗管理是指對教學樓運維過程中水、電、熱、氣等能源消耗進行監(jiān)測、分析、控制和優(yōu)化等，針對能源消耗量巨大、能源利用率低、能源的有限性等問題對能源進行精細化管理，實現(xiàn)能耗最優(yōu)管控。根據(jù)相關(guān)設(shè)備收集到的高保真實時數(shù)據(jù)，虛擬模型對教學樓實體運維狀態(tài)進行模擬、仿真和預測，通過虛實之間的實時交互，運維方案得以進行動態(tài)調(diào)整和優(yōu)化，實現(xiàn)對實體中相關(guān)能耗設(shè)備的控制。以地源熱泵空調(diào)子系統(tǒng)為例，通常人體對濕度、溫度及室內(nèi)空氣質(zhì)量是有存在舒適感知區(qū)間的，一成不變的能耗支出并不能帶來很好的舒適感。依托能耗管理功能可對教學樓內(nèi)部相關(guān)設(shè)備的運行效率、溫度、CO2濃度等進行實時監(jiān)測，同時根據(jù)實時數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整地源熱泵空調(diào)子系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，控制風、熱等的排出量。

2.3.2 故障預測與健康管理

故障預測與健康管理是指利用各類傳感器和監(jiān)測設(shè)備對數(shù)據(jù)進行采集和處理，對設(shè)備健康狀況進行評估并對其做出預測，針對教學樓運維模式被動、設(shè)備狀態(tài)難以把握等問題，實現(xiàn)由傳統(tǒng)低效率的事后維修到高效率的事前保養(yǎng)、維護等轉(zhuǎn)變，從而提高設(shè)備壽命和促進其健康運行。教學樓中難以監(jiān)測到的隱蔽工程將徹底展現(xiàn)在視野下，各個設(shè)備都將實現(xiàn)全生命周期數(shù)字化管控。

2.3.3 消防安全管理

安全是智慧建筑所應具備的最基礎(chǔ)也是最重要的功能。以消防安全為例，教學樓實體通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳感器設(shè)備（煙感、溫感）可組裝智能報警裝置和噴淋裝置，根據(jù)事先設(shè)定的報警程序，當傳感器感受到高于常規(guī)值的溫度、煙霧時，相關(guān)數(shù)據(jù)會實時傳輸至虛擬模型進行模擬和仿真，服務(wù)系統(tǒng)對運維方案和相關(guān)要素進行調(diào)整和調(diào)動。在下達指令控制教學樓實體做出反應的同時，根據(jù)實體反映的實時數(shù)據(jù)，虛擬模型不斷對其進行模擬、仿真和優(yōu)化，服務(wù)系統(tǒng)對應對方案作出動態(tài)調(diào)整直至消除危險。教學樓中發(fā)生火災時，若火情處于萌芽狀態(tài)，運維平臺會迅速啟動噴淋裝置滅之；若發(fā)生爆炸造成火勢突發(fā)蔓延，在啟動消防警報鳴笛的同時，教學樓將進入應急狀態(tài)，相應的后備電源、噴淋裝置、安全電梯、緊急通道等設(shè)施均會在運維平臺的調(diào)度下協(xié)調(diào)運作，確保人身安全、建筑安全。

3 智慧建筑運維平臺的特點

3.1 虛實融合

教學樓實體與虛擬模型之間是雙向真實映射的。虛擬模型是對教學樓實體的完全忠實再現(xiàn)和模擬，通過高保真的實時數(shù)據(jù)，真實、動態(tài)地還原教學樓實體；教學樓實體對虛擬模型經(jīng)過模擬、仿真、預測和優(yōu)化等做出的指令嚴格執(zhí)行，確保實現(xiàn)調(diào)度最優(yōu)化。

3.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動

數(shù)據(jù)是最有效的驅(qū)動，教學樓實體、虛擬模型和服務(wù)系統(tǒng)之間通過孿生數(shù)據(jù)實現(xiàn)兩兩之間的融合與交互。就服務(wù)系統(tǒng)而言，其在教學樓實體實時數(shù)據(jù)的驅(qū)動下對運維方案進行調(diào)整，并將方案在虛擬模型中進行模擬和仿真，經(jīng)過不斷地調(diào)整和優(yōu)化達到要素最優(yōu)配置；就教學樓實體而言，服務(wù)系統(tǒng)將指令下達至教學樓實體，在指令數(shù)據(jù)的驅(qū)動下調(diào)整相關(guān)要素的參數(shù)，同時將運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸至虛擬模型，在反饋數(shù)據(jù)的驅(qū)動下優(yōu)化運行過程；就虛擬模型而言，其在初始運維方案的驅(qū)動下進行模擬和仿真，實現(xiàn)要素調(diào)動。在執(zhí)行指令的過程中，實時監(jiān)測教學樓實體的運行狀態(tài)并在數(shù)據(jù)的驅(qū)動下進行反復模擬、仿真和預測等。相較于傳統(tǒng)的由管理者的個人知識與經(jīng)驗驅(qū)動、離線/割裂數(shù)據(jù)交互、被動式運維，智慧運維平臺實現(xiàn)了孿生數(shù)據(jù)驅(qū)動、實時數(shù)據(jù)交互、主動式預測等方面的巨大轉(zhuǎn)變。

3.3 可視化

基于三維模型的創(chuàng)建和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的應用，教學樓在相當程度上實現(xiàn)了信息化，通過搭建智慧運維可視化大屏，可將教學樓實體納入人們的視野范圍之內(nèi)，形成使用者與模型之間的深度交互，給使用者帶來沉浸感。同時，借助可視化的數(shù)字孿生模型，模型之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系、構(gòu)件參數(shù)、教學樓實體運行狀態(tài)等均可實現(xiàn)直觀瀏覽。例如，發(fā)生火災時，可視化大屏中虛擬模型的相關(guān)位置會迅速產(chǎn)生基于精確定位的火焰標志，將鼠標移動至火焰位置處，可實現(xiàn)對虛擬模型中火災發(fā)生部位的細節(jié)展示，同時屏幕上會出現(xiàn)實時監(jiān)控的視頻、相關(guān)構(gòu)件參數(shù)等相關(guān)信息，實現(xiàn)教學樓的可視化。

4 結(jié)語

數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展為智慧建筑的建立奠定了堅實的基礎(chǔ)，基于數(shù)字孿生的教學樓智慧運維平臺研究是致力于實現(xiàn)建筑的智能化、智慧化的一次積極探索，對于建筑的節(jié)能降耗、安全性能和系統(tǒng)運行有效性的提高以及可視化展示等方面具有積極的意義。在如今物聯(lián)網(wǎng)時代下，建筑行業(yè)走向智慧化道路必然是時代所向、大勢所趨。