基于數(shù)字孿生的智慧建筑系統(tǒng)集成研究

　　【摘要】在總結(jié)分析智慧建筑系統(tǒng)集成技術(shù)與行業(yè)現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，剖析目前智慧建筑系統(tǒng)集成尚存的難點(diǎn)，提出基于數(shù)字孿生理論的工程全生命周期系統(tǒng)集成模式，即智慧建筑數(shù)字孿生系統(tǒng)集成法。給出了基于組態(tài)軟件平臺(tái)的數(shù)字孿生建筑集成系統(tǒng)開發(fā)實(shí)現(xiàn)方法，指出基于數(shù)字孿生建筑集成系統(tǒng)的一個(gè)突出趨勢(shì)是共享化。設(shè)施、工具、信息、數(shù)據(jù)、服務(wù)等都可以通過(guò)共享平臺(tái)實(shí)現(xiàn)共享和交換。建議城市信息模型(CIM)宜采用基于模型的復(fù)雜系統(tǒng)工程思維，在數(shù)字孿生建筑互聯(lián)互通基礎(chǔ)上建立，這也是當(dāng)前快速構(gòu)建CIM的一條可行路徑。

　　【關(guān)鍵詞】智慧建筑集成系統(tǒng);智慧建筑數(shù)字孿生系統(tǒng)集成法;數(shù)字孿生建筑;CIM

　　智慧建筑系統(tǒng)集成內(nèi)涵與現(xiàn)狀“系統(tǒng)集成”英文是SystemIntegration，簡(jiǎn)稱SI。系統(tǒng)集成作為一種新興的服務(wù)方式，是近年來(lái)國(guó)際信息服務(wù)業(yè)中發(fā)展勢(shì)頭最猛的一個(gè)行業(yè)。系統(tǒng)集成的本質(zhì)是最優(yōu)化綜合統(tǒng)籌設(shè)計(jì)。在IT領(lǐng)域，所謂系統(tǒng)集成，是根據(jù)客戶的具體業(yè)務(wù)需求，將硬件平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、操作系統(tǒng)、工具軟件以及按客戶需求開發(fā)的應(yīng)用軟件，集成為功能和信息相互關(guān)聯(lián)的IT系統(tǒng)。在智能建筑領(lǐng)域，伴隨著智慧城市的蓬勃發(fā)展，“系統(tǒng)集成”正在逐漸成為智能化工程的“標(biāo)配”和“剛需”，也正成為建筑科學(xué)領(lǐng)域研究和關(guān)注的熱點(diǎn)。

　　我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50314—2000)中規(guī)定:系統(tǒng)集成(SI)是將智能建筑內(nèi)不同功能的智能化子系統(tǒng)在物理上、邏輯上和功能上連接在一起，以實(shí)現(xiàn)信息綜合、資源共享。一般認(rèn)為，智能建筑的系統(tǒng)集成從概念上講，有廣義系統(tǒng)集成和狹義系統(tǒng)集成兩種。廣義系統(tǒng)集成強(qiáng)調(diào)的是以建筑物為基礎(chǔ)，結(jié)合水暖電以及運(yùn)營(yíng)和服務(wù)等多方位的全面集成。狹義系統(tǒng)集成則僅限于弱電系統(tǒng)的集成，也就是BMS(BuildingManagementSystem)層次的系統(tǒng)集成。BMS系統(tǒng)集成的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)各個(gè)集成子系統(tǒng)之間的信息交換、對(duì)各集成子系統(tǒng)實(shí)行統(tǒng)一的監(jiān)督管理及控制。

　　1智慧建筑系統(tǒng)集成最初的也是最基本的目的

　　在于解決獨(dú)立系統(tǒng)造成的“信息孤島”現(xiàn)象。智能建筑系統(tǒng)涵蓋的內(nèi)容相當(dāng)廣泛。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前智能建筑涉及到的不同子系統(tǒng)已達(dá)30多個(gè)，包括樓宇自控、安防系統(tǒng)、消防報(bào)警系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、公共廣播等，而這些系統(tǒng)在智能化初期基本都是單獨(dú)建設(shè)，采取相對(duì)獨(dú)立的技術(shù)路線、系統(tǒng)設(shè)備和控制軟件。這樣使軟硬件之間、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間、以及系統(tǒng)運(yùn)行與實(shí)際管理之間相互分割，造成資源浪費(fèi)，形成了一個(gè)個(gè)“信息孤島”，難以適應(yīng)客戶綜合監(jiān)控與集中管理的要求。于是，具有統(tǒng)一軟件平臺(tái)的智能建筑集成化管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。系統(tǒng)集成的目標(biāo)就是要把不同功能、不同技術(shù)、不同廠商、不同要求、不同操作平臺(tái)，不同接口的不同設(shè)備和系統(tǒng)，用統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺(tái)連接起來(lái)，協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)一體化管理，從而提高整個(gè)建筑的智能化與信息化水平。

　　2智慧建筑系統(tǒng)集成難點(diǎn)分析及數(shù)字孿生系統(tǒng)集成法的提出

　　從智慧建筑集成化系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，目前異構(gòu)子系統(tǒng)間主要存在以下異構(gòu)特征:(1)硬件平臺(tái)的異構(gòu)。從大、中、小型計(jì)算機(jī)到工作站、個(gè)人計(jì)算機(jī)、工控機(jī);從現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)控制網(wǎng)、局域網(wǎng)到廣域網(wǎng)。(2)操作系統(tǒng)的異構(gòu)。有DOS、Windows3.1、Window9.x、WindowsNT、UNIX、OS/2、Linux等。(3)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的異構(gòu)。有文件結(jié)構(gòu)、Access、dBase、FoxPro、Oracle、Sybase、DB2、Informix等。(4)開發(fā)工具的異構(gòu)。各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)工具不同，可能會(huì)是匯編語(yǔ)言、TurboC、BorlandC、VC、VB、PB、Delphi、Java等。“系統(tǒng)集成”，更確切地講應(yīng)該是數(shù)據(jù)的融合、網(wǎng)絡(luò)的融合、架構(gòu)的融合、知識(shí)的融合。目前智慧建筑系統(tǒng)集成的難點(diǎn)集中在以下幾個(gè)方面:(1)管理層與控制層的互聯(lián)互通;(2)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的融合;(3)大數(shù)據(jù)背景下的實(shí)時(shí)集成與約簡(jiǎn)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(tǒng)集成的幾種主要方式及其特點(diǎn)如下:

　　(1)以硬接點(diǎn)方式進(jìn)行系統(tǒng)集成也稱為以干接點(diǎn)方式進(jìn)行系統(tǒng)集成。即通過(guò)增加一個(gè)設(shè)備子系統(tǒng)的輸入/輸出接點(diǎn)或傳感器，接入另一個(gè)設(shè)備子系統(tǒng)的輸入/輸出接點(diǎn)進(jìn)行集成。

　　(2)以樓宇自控系統(tǒng)BAS為平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)集成即樓宇自控系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接其他子系統(tǒng)，樓宇自控系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)、控制和管理其它集成子系統(tǒng)。這就相當(dāng)于將樓宇自控系統(tǒng)與BMS集成系統(tǒng)合二為一。優(yōu)點(diǎn)是可充分利用BAS平臺(tái)所提供的強(qiáng)大的網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換功能，將各子系統(tǒng)連通;缺點(diǎn)是一旦樓宇自控系統(tǒng)發(fā)生故障出現(xiàn)停機(jī)BMS集成系統(tǒng)也就會(huì)癱瘓，失去對(duì)其余各子系統(tǒng)監(jiān)控和管理的能力。

　　(3)基于子系統(tǒng)并行和OPC方式進(jìn)行系統(tǒng)集成這是在總結(jié)以上經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出的，其核心思想是:將整個(gè)大系統(tǒng)分成管理層和控制層兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)層次，數(shù)據(jù)庫(kù)位于管理層，各子系統(tǒng)位于控制層，各子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口(如OPC接口、Modbus協(xié)議)以平等方式集成到數(shù)據(jù)庫(kù)，管理層通過(guò)BMS系統(tǒng)的核心調(diào)度程序?qū)Ω髯酉到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控、管理。這是目前公認(rèn)的最先進(jìn)的手段，比起前兩種，其優(yōu)勢(shì)不言而喻。但它只強(qiáng)調(diào)了“通過(guò)開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口”集成，沒有涉及到如果有些設(shè)備或平臺(tái)不支持某些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的情況———在工程實(shí)際中，這種情況經(jīng)常會(huì)發(fā)生。另外，這種只靠標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)集成的做法有很大的局限性。很多時(shí)候子系統(tǒng)或監(jiān)控平臺(tái)并不能提供標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口，那么這種方案就徹底失效了。

　　3信息物理系統(tǒng)與數(shù)字孿生

　　信息物理系統(tǒng)(CPS，Cyber-PhysicalSystems)是一個(gè)綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過(guò)3C(Computer、Communication、Control)技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)。信息物理系統(tǒng)作為計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程的統(tǒng)一體，是集成計(jì)算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)。信息物理系統(tǒng)使用信息虛體以遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、安全、可靠、協(xié)同的方式操控物理實(shí)體，采用人機(jī)交互接口實(shí)現(xiàn)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(tǒng)。從本質(zhì)上說(shuō)，CPS是一個(gè)具有控制屬性的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也是一個(gè)具有網(wǎng)絡(luò)屬性的控制系統(tǒng)。美國(guó)科學(xué)基金會(huì)用“信息物理系統(tǒng)”一詞來(lái)描述傳統(tǒng)術(shù)語(yǔ)無(wú)法有效說(shuō)明的日益復(fù)雜的系統(tǒng)。美國(guó)科學(xué)基金會(huì)(NSF)認(rèn)為，CPS將讓整個(gè)世界互聯(lián)起來(lái)。CPS目前已被列為美國(guó)研究投資的重中之重。在德國(guó)，CPS同樣被認(rèn)為是工業(yè)4.0的基礎(chǔ)和內(nèi)核。

　　數(shù)字孿生(DT，DigitalTwin)的概念源自工業(yè)制造領(lǐng)域。數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。數(shù)字孿生七要素可總結(jié)為:物理空間、數(shù)字空間、數(shù)據(jù)、模型、控制、管理、服務(wù)。美國(guó)國(guó)防部最早提出將DigitalTwin技術(shù)用于航空航天飛行器的健康維護(hù)與保障。Digitaltwin最為重要的啟發(fā)意義在于，它實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)向信息空間(賽博空間)數(shù)字化模型的反饋。這是一次工業(yè)領(lǐng)域中逆向思維的壯舉。從基于數(shù)據(jù)流和業(yè)務(wù)流的控制系統(tǒng)角度來(lái)看，只有帶有反饋回路的系統(tǒng)才能真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)全生命周期范圍內(nèi)保證信息世界與物理世界的協(xié)同。智能系統(tǒng)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(shù)字化模型的仿真分析、數(shù)據(jù)挖掘及人工智能應(yīng)用，都是為了實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)的更好適配。如果沒有Digitaltwin對(duì)物理實(shí)體的模型化描述，所謂的智能系統(tǒng)就是無(wú)源之水。

　　4基數(shù)字孿生的智慧建筑系統(tǒng)集成模式

　　如果將建筑看作一種物理系統(tǒng)，那么智慧建筑系統(tǒng)集成就可看作是人(人類智慧)、建筑物理實(shí)體、建筑信息虛體三者的融合。在以海量大數(shù)據(jù)、人工智能、5G物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈可信計(jì)算為主要技術(shù)代表的智能時(shí)代，智慧建筑系統(tǒng)集成的內(nèi)涵呈現(xiàn)出“五全”綜合特征:全域立體感知、全系統(tǒng)可信互聯(lián)、全體系精準(zhǔn)管控、全數(shù)據(jù)智能決策、全景實(shí)時(shí)可視交互。在以上特征不斷深化發(fā)展的基礎(chǔ)上，智慧建筑系統(tǒng)集成正朝著數(shù)字孿生建筑方向快速演進(jìn)。數(shù)字孿生建筑是數(shù)字建筑與物理建筑的融合體，其技術(shù)模式的核心是數(shù)據(jù)線程和模型體系。數(shù)字孿生建筑是智慧建筑系統(tǒng)集成的有效方法與根本路徑?；贑PS和數(shù)字孿生的智慧建筑系統(tǒng)集成模式如圖1所示。

　　5總結(jié)與展望目前很多系統(tǒng)由于技術(shù)上的障礙無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的集成或只能進(jìn)行“假”集成，系統(tǒng)之間并沒有完全按目標(biāo)實(shí)現(xiàn)互連互通，往往一個(gè)大系統(tǒng)中有若干子系統(tǒng)在獨(dú)立運(yùn)行，整個(gè)工程只是硬件上的簡(jiǎn)單堆砌。系統(tǒng)集成不應(yīng)該是“1+1=2”的簡(jiǎn)單疊加，而應(yīng)是在系統(tǒng)思維指導(dǎo)下的優(yōu)化運(yùn)籌和智能約簡(jiǎn)。數(shù)字孿生系統(tǒng)集成法具有集大成的特點(diǎn)，基于數(shù)字孿生理論和方法發(fā)展智慧建筑系統(tǒng)集成，有可能在未來(lái)成為智慧建筑系統(tǒng)集成理論與工程實(shí)踐的主導(dǎo)模式。建筑數(shù)字孿生體從數(shù)據(jù)和模型的角度，依據(jù)復(fù)雜系統(tǒng)控制與決策理論為建筑信息模型提供了科學(xué)性和落地性都極強(qiáng)的解決方案?；跀?shù)字孿生建筑和建筑信息模型，可構(gòu)建出由模型到系統(tǒng)再到體系的微觀與宏觀一體化的智慧建筑系統(tǒng)集成模式，真正實(shí)現(xiàn)基于模型的建筑系統(tǒng)工程。

　　城市信息模型(CityInformationModeling，CIM)是以數(shù)字孿生為理論基礎(chǔ)，以城市數(shù)據(jù)為信息基礎(chǔ)，以城市空間地理信息模型、BIM模型及城市智能計(jì)算系統(tǒng)模型等多模型為核心，以數(shù)據(jù)為線索，建立起的服務(wù)于城市場(chǎng)景應(yīng)用的數(shù)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(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、統(tǒng)一、明確的表達(dá)，為城市建設(shè)與治理提供數(shù)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(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋磉_(dá)，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(shí)現(xiàn)邏輯集成，因此能夠更好地優(yōu)化城市、管理城市、治理城市。CIM應(yīng)依托數(shù)字孿生理論和技術(shù)建立，宜采用基于模型的復(fù)雜系統(tǒng)工程思維。CIM的建立可由數(shù)字孿生建筑互聯(lián)產(chǎn)生，這也是CIM構(gòu)建的一條最可行的路徑。

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　　杜明芳

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