基于物聯網的建筑物3D可視化技術研究

陸正卿，方維嵐，苗延霖

（上海煙草集團有限責任公司，上海 200082）

1 概述

基于物聯網的建筑物三維可視化技術的研究和應用正成為學術界與工業界的熱門話題之一，通過連接傳感器、設備與系統，實時獲取與分析各類數據，將三維模型直觀地展示給管理者。其涉及的技術包括數據采集、設備管理、數據存儲與可視化建模等。為應對這些挑戰，已提出與應用了各種技術工具與框架。

2 相關技術綜述

2.1 物聯網技術

物聯網技術包括傳感器技術、通信技術、數據處理技術和應用平臺等方面。傳感器技術用于感知和采集環境中各種數據，如溫度、濕度、光照等。通信技術負責將傳感器采集的數據傳輸至云端或其他設備進行處理和分析。數據處理技術涵蓋數據存儲、數據挖掘和數據分析等，用于從龐雜數據中提取有益信息。應用平臺則提供統一接口和工具，以開發和布署物聯網應用。

2.1.1 EclipseDitto

Eclipse Ditto 提供物聯網設備及其數字孿生融合的位置，是物聯網中的一項技術框架，該框架能夠管理數字孿生的狀態，實現數字孿生基于云的虛擬表示，將代表現實世界的對應物（現實世界的“事物”，如傳感器、智能供暖、聯網汽車、智能電網、電動汽車充電站等設備）實現數字孿生融合。

Eclipse Ditto 使用了各種協議，如AMQP 1.0，AMQP 0.9.1，MQTT，Apache Kafka 或HTTP/WebSockets，其重點在于通過提供 Web API 來關注后端場景，以便簡化已連接（如通過Eclipse Hono）設備和來自客戶應用程序或其他后端軟件的“現實事物”的協同工作。同時具備較高的擴展性，未限定物聯網中的“物體”須提供指定的數據或結構。

2.1.2 EclipseHono

Eclipse Hono 是一個開源項目，旨在為物聯網（IoT）設備提供統一和擴展的連接、通信和數據處理功能。其提供了一個輕量級的代理架構，可與各種設備進行通信，并將設備生成的數據路由到所需的云服務或應用程序。其提供的遠程接口用于將大量IoT 設備連接到后端并以統一的方式與它們進行交互，而無需考慮設備通信協議。

2.2 可視化Three.js技術

隨著數字孿生應用需求日益增加，三維可視化以更多維度去管理、展示數據，讓用戶更直觀有效地進行決策管理。其中，WebGL 的技術較為成熟，是一種免費的、跨平臺的3D 繪圖標準，是HTML5規范的組成部分之一。而在WebGL 中，Three.js 作為一個輕量級、開源免費的開發框架，杰出的易用性和擴展性使其得到行業的廣泛應用。

Three.js 不僅封裝了WebGL 原始的API，還支持Canvas 動畫、CSS 動畫及許多實用的內置對象，可快速實例化場景，并在開發中使用了很多圖形引擎的高級技巧，極大提高了性能。Three.js 的具體功能如下。

（1）細節簡化。Three.js 將WebGL 原生API 的細節抽象化，將3D 場景拆解為網格、材質和光源（即其內置了圖形編程常用的一些對象種類）。

（2）高性能。Three.js 采用了3D 圖形最佳實踐來保證在不失可用性的前提下，保持極高的性能。

（3）支持交互。WebGL 本身并不提供拾取（picking）功能（即是否知道鼠標正處于某個物體上）。而Three.js 則固化了拾取支持，可輕松地為應用添加交互功能。

（4）強擴展性。為Three.js 添加新的特性或進行自定義優化是很容易的事情。若需某個特殊的數據結構，那么只需封裝到Three.js 即可。

（5）支 持HTML5 canvas。Three.js 不但支 持WebGL，而且還支持使用Canvas2D、Css3D 和SVG進行渲染。在未兼容WebGL 的環境中可回退到其它的解決方案。

3 架構及方案

3.1 業務需求

文章旨在探索基于物聯網的建筑物3D 可視化框架技術，模擬大型園區場景，實現對園區中各建筑物消防系統、安防系統、照明控制系統、空調控制系統等的實時監控、數據分析和數據可視化展示。依托物聯網及3D 可視化技術，在科技園區建設傳感網絡，在園區建筑物中的重要基礎設施和場所安裝溫度、濕度和安防等傳感器，進行數據采集模并將其傳輸到后端系統進行處理。將園區建設成一個廣泛存在感知的“物聯網”空間，對園區內建筑物實行全面感知和感測。再由設備管理模塊用于注冊、連接和管理建筑物中的各種設備，確保其正常運行和可靠性。通過創建建筑物的可視化3D 模型，實現實時交互和數據展示。

3.2 技術架構

通過底層傳感器采集消防系統、安防系統等數據，使用Eclipse Ditto、Eclipse Hono 物聯網框架技術，通過MQTT 等通信協議方式接收傳輸數據，且使用Three.js 功能建立園區建筑物的3D 模型，并將數據來源匹配模型中的位置，通過可視化的方式展示數據。

3.3 數據采集方案

3.3.1 消防系統數據采集

通過統一監控應用中的消防監控模塊，實現與消防系統的集成和監控。消防系統主要完成各種消防數據的探測、自動和手動報警及與噴淋系統的聯動控制。通過感煙火災探測器、感溫火災探測器等，在符合行業標準的前提下實現關鍵數據的探測采集。

3.3.2 安防系統數據采集

通過統一監控應用中的安防監控模塊實現與安防系統的集成和監控，主要實現園區內安防相關的各種資產數據、監控數據的采集和展示，同時實現對各種事件的監控和監控數據的存儲。通過監控能夠快速對異常設備或事件進行定位，及時查看現場或采取其他應對異常的措施。

3.3.3 強電、弱電系統數據采集

通過統一監控應用中的強電、弱電設施，如照明系統、空調系統及機房設施的集成和監控，采集各個設備的狀況和狀態數據、異常事件等，包括空調溫度、三相線電壓、停電報警及高/低電壓報警等，及時根據預案或現場判斷采取措施。

3.3.4 多媒體設備系統數據采集

通過多媒體設備監控模塊與多媒體管理系統的集成，實現對多媒體設備的監測和控制，大致包含會場中控系統、公共廣播系統、視頻顯示系統、音頻擴聲系統及遠程控制終端系統等。

3.3.5 Wi-Fi系統數據采集

通過統一監控應用中的Wi-Fi 位置服務模塊與Wi-Fi 位置服務管理系統的集成，實現對Wi-Fi 設備的監測和控制、Wi-Fi 熱點位置信息的接入及Wi-Fi熱點設備實時工作狀態接入等，并實現以上接入信息的落地存儲。

3.3.6 設備管理模塊

設備管理模塊負責注冊、連接和管理建筑物中的各種設備。其提供了一套統一的接口和工具，用于設備的身份驗證、配置和狀態監測。通過設備管理模塊，可實現對建筑物中的設備進行集中管理和遠程控制。

3.4 可視化Three.js方案

3.4.1 場景設置

將場景設定在大型園區內部，依托物聯網技術采集園區內某5層大型生產工廠建筑的各項數據指標，并根據實際環境利用Three.js 制作三維場景，將數據以可視化形式展示，采集包括消防數據、安防數據、強弱電數據、多媒體設備數據及Wi-Fi 系統數據。擬定在工廠外部安裝溫度、濕度傳感器，用于判斷建筑外部的氣溫狀況。在工廠內部，每個樓層均安裝了溫度、濕度等消防傳感器，監控攝像頭等安防傳感器，用電數據記錄、用電實時監測等強弱電傳感器，此外還包括多媒體設備、Wi-Fi 系統的傳感器，檢測設備等是否啟用及運行情況，并在重點區域（如生產車間等）著重進行監控，將最終數據可視化展示。

3.4.2 靜幀圖片渲染

在場景中選擇三維表現效果較好的位置取景，并調整好攝影焦距。此過程與現實過程中的攝影類似，均采取“取景—調焦”的模式。利用Lumion3D 自帶的渲染工具，選擇渲染照片的像素即可生成靜幀圖片，此過程類似于現實中攝影的“快門”。

3.4.3 三維動畫生成

通過Lumion3D 中視頻編輯的功能，運用關鍵幀記錄漫游位置設定漫游路徑，即在每一個關鍵幀的位置設定角度和焦距。在3D 游覽路線設計中，將工廠整體與內部每個樓層間進行聯動，可切換每個樓層查看內部傳感器位置及實時返回事件，并將當前突發故障的樓層以高亮顯示，可及時點入樓層查看故障信息。通過添加Lumion3D 自帶的渲染特效，可調整建筑的外觀以達到更好的渲染效果。

4 項目效果

通過試驗獲得了以下結果和分析。

（1）數據采集。建筑物群內部各樓層的系統（包括消防、安防等）數據采集穩定，包括數據實時性、正確性、異常情況等。

（2）數據接收。各類數據（包括消防數據、安防數據等）傳輸穩定，具備數據實時性、正確性，異常數據反饋及時且準確。

（3）數據展示。各類數據（包括消防數據、安防數據等）查看便捷，界面交互性強，操作易上手，同時，易查看異常數據，并且用戶在移動端接收的異常事件工單具備準確性、實時性，可針對問題及時采取措施。

試驗結果表明，該物聯網框架設計的系統具有良好的用戶體驗、高效的數據處理能力和穩定的系統性能。基于物聯網的建筑物3D 可視化框架為建筑物管理和運營提供了一種強大的工具和平臺。

5 結束語

基于物聯網的建筑物3D 可視化技術是近年來研究的一個重要方向。通過將傳感器和設備與互聯網連接，實現對建筑物內部和外部環境數據的采集，從而使管理者可基于3D 可視化技術，更直觀地遠程監控建筑物的情況，并及時做出相應處理，輔助管理者更好地監測建筑物的運行狀態和能源消耗情況。未來隨著技術的不斷發展和應用場景的擴大，相信這項技術將會得到更廣泛的應用。