數(shù)字孿生在教學(xué)樓智慧運(yùn)維中的應(yīng)用

摘要：數(shù)字孿生是推動(dòng)建筑運(yùn)維管理數(shù)字化、智慧化的關(guān)鍵技術(shù)之一，將物理空間中的建筑實(shí)體在虛擬空間中進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)物理空間和虛擬空間的雙向映射，是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)問題。本文在研究數(shù)字孿生理論的基礎(chǔ)之上，結(jié)合高校教學(xué)樓實(shí)際運(yùn)維特點(diǎn)，建立三維建筑數(shù)字化模型，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)為實(shí)現(xiàn)教學(xué)樓運(yùn)維管理過程中信息融合、實(shí)時(shí)交互和閉環(huán)優(yōu)化提供了一種新思路。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生;智慧運(yùn)維;平臺(tái)服務(wù)

1.數(shù)字孿生的概念及內(nèi)涵

什么是數(shù)字孿生呢？首先要厘清“孿生體”的概念。在工業(yè)流水線下制造出來的產(chǎn)品“外觀相同、性能相似”，是可以保證“一模一樣”的，但若這些產(chǎn)品的使用環(huán)境不同、運(yùn)行參數(shù)不一，其行為狀態(tài)也定然不同。所以只有通過數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互，保證兩種產(chǎn)品的行為和運(yùn)行狀態(tài)同步才能稱之為“孿生體”，“數(shù)字”即數(shù)字化。

數(shù)字孿生以模型和數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過創(chuàng)建多維數(shù)字模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)世界中的行為，完成現(xiàn)實(shí)世界中物理實(shí)體至虛擬世界的鏡像化數(shù)字映射。通過虛實(shí)交互、實(shí)時(shí)反饋、決策迭代優(yōu)化等手段，優(yōu)化物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)世界中的行為，達(dá)到協(xié)同發(fā)展、優(yōu)化控制的目的。[1]

數(shù)字孿生與模型構(gòu)建、物聯(lián)網(wǎng)、仿真分析等技術(shù)存在著密切的關(guān)聯(lián)性，是多物理系統(tǒng)、多學(xué)科、多領(lǐng)域的融合;數(shù)據(jù)是其驅(qū)動(dòng)所在，其來源主要分為兩部分：一是來自于感知層，即對(duì)物理實(shí)體及其所處環(huán)境信息的采集，通常依賴于傳感器等設(shè)備;二是來源自于系統(tǒng)內(nèi)部的仿真數(shù)據(jù)，多是基于模型數(shù)據(jù)的模擬、仿真所產(chǎn)生的融合數(shù)據(jù)，兩者統(tǒng)稱為孿生數(shù)據(jù)?；趯\生數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，物理實(shí)體和虛擬模型之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)雙向映射，在對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行推衍分析之后，預(yù)測(cè)物理實(shí)體的未來行為—這是數(shù)字孿生核心價(jià)值所在。

2.模型建立及相關(guān)技術(shù)融合

實(shí)現(xiàn)教學(xué)樓智慧運(yùn)維的數(shù)字孿生應(yīng)用，第一步構(gòu)是建虛擬模型。基于某高校教學(xué)樓施工圖紙和施組文件，利用Revit軟件進(jìn)行教學(xué)樓BIM模型的創(chuàng)建，可實(shí)現(xiàn)將建筑物每一個(gè)構(gòu)件的信息集中記錄于虛擬模型中，完成信息化處理。在這方面，北京航空航天大學(xué)陶飛教授提出的數(shù)字孿生建模理論體系[2]為我們提供了重要指導(dǎo)。

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過在教學(xué)樓實(shí)體中布置攝像頭、傳感器、RFID設(shè)備等方式，利用多傳感融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)感知層應(yīng)用對(duì)教學(xué)實(shí)體及周圍環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控和深次層數(shù)據(jù)采集。在接收到感知層實(shí)時(shí)傳來的數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)利用仿真技術(shù)對(duì)其進(jìn)行模擬并將仿真結(jié)果實(shí)時(shí)反饋至應(yīng)用層進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的調(diào)整，形成閉環(huán)優(yōu)化。信息物理系統(tǒng)（CPS）的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)提供了有力支持，基于CPS可實(shí)現(xiàn)“狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、科學(xué)決策、精準(zhǔn)執(zhí)行”，進(jìn)一步促進(jìn)數(shù)字孿生系統(tǒng)的建設(shè)。

利用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)可有效對(duì)物理實(shí)體運(yùn)行中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，同時(shí)可構(gòu)建高度逼真的虛擬環(huán)境來提高系統(tǒng)運(yùn)行真實(shí)性;基于云計(jì)算“合理高效、大批量處理”等優(yōu)勢(shì)，兩者均可為教學(xué)樓運(yùn)維過程監(jiān)控、仿真、預(yù)測(cè)等功能的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)支撐。

3.智慧運(yùn)維平臺(tái)服務(wù)

數(shù)字孿生服務(wù)是數(shù)字孿生應(yīng)用價(jià)值的具體體現(xiàn)，根據(jù)教學(xué)樓在運(yùn)維過程中面臨的實(shí)際問題和具體需求可開發(fā)相應(yīng)功能和服務(wù)。

通常教學(xué)樓運(yùn)維面臨的痛點(diǎn)問題主要有以下幾個(gè)：

1.能耗浪費(fèi)嚴(yán)重。教學(xué)樓室內(nèi)的燈、空調(diào)等設(shè)備高負(fù)荷運(yùn)行，有時(shí)是無效運(yùn)行，不僅浪費(fèi)能源還易造成設(shè)備壽命減少、性能降低。

2.數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象嚴(yán)重。數(shù)據(jù)割裂，不易實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)調(diào)用，數(shù)據(jù)的價(jià)值被湮沒。

3.故障發(fā)生后難以快速定位，運(yùn)維人員處理效率參差不齊。

4.被動(dòng)式運(yùn)維。“哪里壞了修哪里”成為常態(tài)，亟需改變。

平臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)：

1.能耗管理系統(tǒng)。能耗管理系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水、電、熱、氣等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過模擬、仿真以及多次迭代優(yōu)化之后以指令的形式下達(dá)至應(yīng)用層，設(shè)備參數(shù)會(huì)嚴(yán)格進(jìn)行調(diào)整以確保配置最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)能耗的精細(xì)化管理。能耗管理系統(tǒng)下還有智能空調(diào)系統(tǒng)和智能照明系統(tǒng)等子系統(tǒng)能。

2.故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)。基于多傳感融合技術(shù)，在孿生數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)之下對(duì)設(shè)備健康狀況進(jìn)行分析評(píng)估并預(yù)測(cè)設(shè)備的可使用壽命。該系統(tǒng)充分地挖掘利用了數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值，主動(dòng)預(yù)測(cè)設(shè)備故障及進(jìn)行快速定位，實(shí)現(xiàn)了由被動(dòng)式運(yùn)維向主動(dòng)式管理的轉(zhuǎn)變，由靜態(tài)指標(biāo)對(duì)比向動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)交互的全方位狀態(tài)比對(duì)轉(zhuǎn)變。

3.消防安全管理系統(tǒng)?！耙惑w聯(lián)動(dòng)，跨層交互”是其最大特點(diǎn)。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)火災(zāi)大小制定出適宜的方案，在進(jìn)行精準(zhǔn)定位的同時(shí)，消防警報(bào)、噴淋設(shè)施、安全通道和備用電源等設(shè)備都會(huì)進(jìn)入緊急狀態(tài)，由系統(tǒng)實(shí)施統(tǒng)一管控，確保人員安全和保護(hù)重要設(shè)備。

4.應(yīng)用價(jià)值

數(shù)字孿生應(yīng)用于教學(xué)樓運(yùn)維管理可解決當(dāng)下運(yùn)維的痛點(diǎn)問題，提高運(yùn)維的效率和質(zhì)量，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。從國(guó)家層面來看，數(shù)字孿生為我國(guó)“智能制造”“智慧城市”以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能化提供了基礎(chǔ)方法[3];從企業(yè)層面來看，數(shù)字孿生提高了一體化管控水平，大大降低了成本，做到了精細(xì)化生產(chǎn)。不難得出結(jié)論，建筑的智慧化發(fā)展是與國(guó)家戰(zhàn)略相符合、與時(shí)代潮流相趨同的，價(jià)值巨大，前景光明。

參考文獻(xiàn)：

[1]陶飛，劉蔚然，劉檢華，劉曉軍，劉強(qiáng)，屈挺，胡天亮，張執(zhí)南，向峰，徐文君，王軍強(qiáng)，張映鋒，劉振宇，李浩，程江峰，戚慶林，張萌，張賀，隋芳媛，何立榮，易旺民，程輝.數(shù)字孿生及其應(yīng)用探索[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2018，24（01）：1-18.DOI：10.13196/j.cims.2018.01.001.

[2]陶飛，張賀，戚慶林，徐俊，孫錚，胡天亮，劉曉軍，劉庭煜，關(guān)俊濤，陳暢宇，孟凡偉，張辰源，李志遠(yuǎn)，魏永利，朱銘浩，肖斌.數(shù)字孿生模型構(gòu)建理論及應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2021，27（01）：1-15.DOI：10.13196/j.cims.2021.01.001.

[3]工業(yè)數(shù)字孿生白皮書[EB/OL].中國(guó)信通院、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟.2021

作者簡(jiǎn)介：申家恒（2000.8），男，漢族，河北保定人本科，學(xué)生，工程管理。