基于5G、AIOT、數字孿生技術的新型智慧園區解決方案研究

摘要：產業園區是我國經濟發展的重要承載體，產業園區向新型智慧園區發展是我國數字經濟發展的新模式。本文提出融合最新ICT技術的新型智慧園區解決方案，首先對新型智慧園區的現狀需求進行分析，在此基礎上提出新型智慧園區的建設目標、總體方案設計和分項建設內容，重點研究了新型智慧園區支撐平臺層的建設及如何對上層應用進行支撐，打造規建管一體化模式創新的人、物、空間全面聯動虛實結合的新型智慧園區。

關鍵詞：5G；物聯網；城市信息模型；建筑信息模型；智慧園區

產業園區從1979年第一代誕生開始至今經歷了四個階段，如今進入了第五代創新期，發展理念由過去的產業集群要素驅動轉向了數據價值驅動、精細化運營，空間特性由實體產業園向數字孿生園區演變。新發展形勢產生新要求，新型智慧園區解決方案應運而生。

一、新型智慧園區建設現狀分析

（一）現狀分析及發展趨勢

智慧園區從2000年開始起步，業內普遍認為，發展經歷了三個階段：1.0階段，信息化起步階段。側重園區基礎信息系統的建設，重技術輕應用，重建設管理輕服務運營；2.0階段，數字化管理階段。側重運用部分ICT技術進行園區業務系統建設，賦能于園區實際管理和服務，實現管理降本增效；3.0階段，數智化規建管一體化階段。將數字孿生技術引入園區建設運營，形成虛實協同、深度學習、自我優化、內生發展的數據智能化園區發展新形態。即本文討論的新型智慧園區階段。

當前，我國各智慧園區建設水平參差不齊，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和待提升點，表現在如下三方面：

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

信息孤島現象：智慧園區各系統“煙囪式”建設，數據不能有效共享互通；缺乏對智慧應用沉淀下來的數據進行數據治理，無法形成有效數字資產。

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

綜上，智慧園區未來發展將聚焦于面向空間的用戶體驗，重視數據資產共享及價值挖掘，強調業務增值、開放創新和可持續發展，即新型智慧園區發展階段。

（二）新型智慧園區主要支撐技術

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

②物聯網技術。基于5G無線傳輸和大數據處理分析技術，通過物聯網將園區內的人、物、空間三者連接、全面定位和監控。

③邊緣計算技術。部署邊緣端的計算節點，更快實現網絡服務響應，避免大量數據回傳帶來的帶寬浪費和時延，滿足新型智慧園區應用的實在性、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據的可視化數字模型，與IOT技術結合可實現數字實體與物理實體的實時關聯控制，實現設備運維虛實結合。

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

二、新型智慧園區概念

新型智慧園區是智慧園區全新發展階段，是以數據為核心生產要素，以數字運營為核心生產關系的新型智慧園區，是生產力全面提升的新型智慧園區，是人、物、空間全面聯動虛實結合的新型智慧園區，不僅涵蓋了完整的產業生態，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）產業園區投資建設數字化需求

當前，多數智慧園區建設均聚焦于園區基礎設施建成后的運營階段，對于規劃建設階段缺乏支撐，未同運營階段形成數據一體化建設。從園區規劃建設階段介入實現規建管一體化建設是園區長期智能化運營迫切需求。

（二）產業園區數字化運營需求

園區運營方：對園區的人、車、物、環境、能源、事件等園區管理要素可視化管理；要素和空間之間聯動關聯管理。

園區企業：園區統一為入駐企業提供公共配套數字化服務及產業鏈協同服務。

園區公眾：園區生活配套服務和公眾資訊服務。

（三）產業園區發展需求

新型智慧園區建設需考慮產業園區的發展需求，包括園區品牌影響力塑造與提升需求，招商引資需求；園區培育新型產業集群，壯大園區生態圈發展需求等。

四、總體目標

基于數字孿生的新型智慧園區發展理念，以園區開發與運營全生命周期的“規建管”一體化業務為主線，以園區CIM空間信息模型為基礎底座，以數據資產的匯聚、共享、應用為核心，以創新園區管理、服務產業發展為目標，融合運用5G、IOT、AI、BIM等ICT技術打造新型智慧園區，探索產業園規建管統籌協調、虛實融合和一體化創新管理新模式，推進產業園基礎設施數字化、開發管理信息化、服務功能專業化和運用運維智能化發展。

五、總體設計

新型智慧園區總體解決方案設計遵循“三全”原則。全過程：涵蓋產業園區規劃、建設和運營管理全過程應用。全要素：實現人、車、物、環境、能源、事件等園區管理要素升級改造。全方位：從園區空間和時間一體化搭建數字孿生底座。

總體架構規劃包含五層三體系，從下至上分別為：

邊緣層。提供對園區內人、事、物的智能感知能力，通過感知設備及網絡實現對園區內基礎設施、建筑、環境、安全、事件、人、車等方面的識別、信息采集、監測和控制。

基礎設施層。包括物聯網網關、網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。是新型智慧園區的智能運行中樞層，也是園區大腦。通過封裝IOT、大數據、BIM、AI等技術和語義化模型，對下連接物聯設備、屏蔽設備感知層的設備差異，對上支撐智慧應用開發和水平業務擴展能力，實現統一開發、承載和運行應用系統。

應用層。基于平臺支撐層提供的數據、技術、開發服務能力，建設基于數字孿生的園區規建管一體化管理、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。

標準規范體系。統一的標準規范。

六、分項建設內容設計

（一）“云邊端”一體化基礎設施層

新型智慧園區基礎設施層設計采用云、邊、端協同分布式架構。由于智慧園區應用需要處理大量物聯感知數據和應用，通過移動邊緣計算將計算、存儲能力下沉至網絡邊緣，以減少網絡延遲、帶寬消耗，減輕云端中心節點計算負荷。尤其適用于視頻監控、自動巡檢等業務場景。云、邊、端協同模式中，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，實現云、邊、端協同。云、邊、端架構網絡承載利用移動邊緣計算和5G網絡切片技術，實現園區內無線專網覆蓋。

（二）園區智能中樞

1.數字孿生平臺

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

構建園區全空間模型[4]。打通BIM、GIS、IoT等數據，構筑全空間一體化園區模型，是所有智慧應用的數字底座。

園區規建管一體化建設[4]。基于CIM一張圖可實現園區規劃-建設-運營全生命周期管理和數據資產沉淀。

促進園區業務融合[4]。基于CIM平臺打造上層智慧應用，可統一建設集成各類智慧應用至CIM平臺，實現多系統聯動，實現人、車、物、環境、能源、事件多要素一體化管理。

實現園區事件一體化處置[4]。基于CIM平臺可整合及串聯事件處置全人員、全物資、全過程，并實現事件處置過程中的數據共享及協作，更高效地實現事件處置時空一體化。

2.物聯感知平臺

物聯感知平臺提供對園區內人、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、大數據中樞提供園區建筑、設備設施、人、環境、安全等物聯接入數據。新型智慧園區物聯感知平臺需支持平臺和邊緣網關協同實現多源異構設備和子系統集成，實現采集底層感知數據并提供遠程控制能力，數據采集后根據資產編碼體系進行統一處置后傳輸至大數據中樞進行清洗和標準化處理。平臺需支持主流設備聯網方式（Wi-Fi、2/3/4/5G、NB-IoT、以太網等）、網絡傳輸交互協議（HTTP、MQTT、CoAP、LwM2M、ZigBee等），支持千萬級IOT設備接入。

3.大數據中樞

大數據中樞以建立園區大數據倉儲為核心，實現以數據資產價值挖掘，建立以數據為核心的園區發展管理決策體系。大數據中樞包含數據治理、數據倉儲體系及數據價值開發等能力。

4.應用支撐中樞

應用支撐中樞為上層共性應用開發技術賦能，為上層應用提供技術賦能與統一開發服務支撐，提供可視化頁面開發和流程設計，包括開發服務、沙箱服務和業務資產服務等方面。

5.人工智能中樞

人工智能中樞以園區業務視角，為園區智慧應用開發構建基于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.“規建管”一體化管理

“規建管”一體化決策中心包括：

園區開發建設項目一張圖。基于園區CIM平臺，疊加開發規劃建設過程中各類現狀數據和統計分析數據，統籌管理平臺工程建設項目階段成果，形成園區開發建設一張圖。

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

施工圖輔助審查決策子系統。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的建設項目綜合監管子系統。將園區建項目的工地建設信息以標準化、集成化方式統一接入，實現對園區內工程建設進度、質量、安全、勞務等全方位三維可視化綜合監管。

竣工數字化交付。工程建設全生命周期數據沉淀以三維模型的形態集結，形成面向園區運營場景的數據底盤。

2.“一盤棋”管理

“一盤棋”管理主要面向園區入駐企業和公眾提供公共服務。企業公共服務主要以智慧物業管理為主，包括但不限于物業管理、門禁管理、園區一臉通、停車管理、報事報修、巡更巡檢、智慧黨建、企業服務、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個同數字孿生緊密結合的應用予以介紹：

巡更巡檢。為園區物業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。園區為企業提供統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，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字孿生園區最具價值應用，以三維可視化空間為載體集成多方數據管理，將分散的智慧化系統集成到統一的可視化平臺上，建立統一視圖，實現系統應用聯動、數據互通聯動，一屏掌握園區所有動態。典型應用包括但不限于如下：

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

CIM+市政部件管理。基于CIM+ AIOT技術，對園區路燈、燈桿、井蓋、垃圾桶等市政部件 運行狀態三維可視化實時監管，支持設備故障自動報警，與移動巡檢APP聯動實現任務智能分配、人員自動定位等巡檢功能。

CIM+安防管理。建設園區視頻監控系統，實現園區重要部位、聚集場所、交通要道等位置動態情況進行實時監控，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控點的位置，可實時調用任一點視頻數據查看。

CIM+能源管理。建設園區能源管理子系統，集成聯動各樓宇智能化子系統能源數據，實現三維可視化實時監管園區能源（水電氣熱）數據，支持節能分析與控制、能耗預警等，有針對性地定向對各個區域下達能源使用的KPI指標，以達到以合理利用能源、節省能源消耗、減少能源費用支出的目的。

CIM+智慧交通。基于CIM平臺，對園區停車場車位空閑情況進行在線監測，實時采集停車相關數據，為園區停車誘導信息發布、預警提供數據支撐，為園區交通決策分析提供有效技術手段和數據支持。

（四）標準規范體系

制定新型智慧園區標準規范體系，包含技術支撐與平臺標準、應用標準、數據標準、數據共享互通標準、網絡安全標準，規范新型智慧園區平臺及應用建設，更好地實現規建管一體化協同發展。

七、結束語

綜上所述，5G、IOT、AI、大數據等技術為產業園區提供了廣泛連接和智能化計算處理能力，數字孿生CIM技術為產業園區提供協同、立體、聯動的數據和應用支撐。兩者相結合，統籌“資本、產業、空間”三大動力，賦能園區投資管理、建設管理、運營管理一體化治理，助力我國新型智慧園區發展進入虛實協同、深度學習、自我優化、內生發展的3.0時代。

作者單位：顧佳櫻 中設數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智慧園區建設的探索與研究[J].理論研究，2020（12）：1520.

[2]數智園區白皮書——阿里云、德勤.

[3]中國聯通5G超智能園區白皮書.

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