申家恒SHEN Jia-heng；魏远帆WEI Yuan-fan；杨欣怡YANG Xin-yi；王文清WANG Wen-qing；陈江彦CHEN Jiang-yan

（石家庄铁道大学管理学院，石家庄 050043）

0 引言

当前，在以中国制造2025、德国“工业4.0”为核心的全球第四次工业革命的浪潮中，实现建筑的绿色化、智能化、智慧化的发展是时代的潮流所向。随着新一代信息技术（如大数据、人工智能、云计算、物联网等）与制造的融合发展以及应用，信息物理融合、数字孪生等技术迅猛发展，赋予建筑新的生命成为可能，智慧建筑作为信息化社会的产物得以应运而生。

就建筑的全生命周期而言，运维阶段所占比例达55%-75%[1]，复杂的系统往往具有高昂的运维成本，运维管理控制之重要性不言而喻。目前，建筑运维管理阶段所面临的主要难题有：数据采集不全、数据各自为阵的数据孤岛现象严重；系统的集成度低，缺乏统一、有效的运行维护处理中心平台；能源浪费现象严重、能耗巨大，不符合绿色建筑要求，未形成有效的能耗管理系统；当前建筑的运维模式是被动式的，往往问题出现后才处理，缺乏主动的故障预测和健康管理系统；安全性较低、缺乏对突发事件的处理能力且运维效率低下，不能使各个系统协调配合达到要素配置最优等[2]。

数字孪生技术的发展以及应用，为上述问题的解决提供了可靠的途径。

1 数字孪生概念

数字孪生（Digital twin）的概念最早出现在2003 年，由Grieves M.W.教授在美国密歇根大学的产品全生命周期管理课程上提出[3]。之后，数字孪生被定义为集成多物理场、多尺度、多概率的仿真过程，基于飞行器的高保真物理模型、历史数据和传感器感知的实时数据等构建的与其对应的虚拟模型以刻画和反映物理系统的全生命周期过程[4]。借助数字孪生，物理实体和虚拟实体之间实现了实时通信和双向交互连接，在多维虚拟模型和融合数据的双重驱动下完成闭环交互，可用于实现对物理实体变化的监测、行为的模拟、状态的评估、未来趋势的预测、性能的提高以及运行的优化等，实现物理实体和虚拟实体的同步控制。

2 智慧运维平台总体架构、构建方法及功能

2.1 智慧运维平台总体架构

国内学者陶飞等人在Grieves 教授提出的数字孪生三维模型，即物理实体、虚拟实体以及二者之间的连接[5]的基础之上，创造性地提出了数字孪生五维模型，即物理实体、虚拟实体、服务、孪生数据、各组成部分间的连接[6]，如图1 所示。

图1 数字孪生五维模型

本文在数字孪生五维模型的基础之上，研究教学楼智慧运维平台。在此平台中，物理实体对应教学楼实体，由各种子系统组成，存在于现实空间之中；虚拟实体对应虚拟模型，是对物理实体完全的数字化镜像，存在于信息空间之中；服务系统集有控制、优化和预测等各个系统，衍生出各类功能，体现了最终目的；孪生数据由教学楼实体、虚拟模型和服务系统的相关数据以及三者交互产生的融合数据组成，孪生数据平台很好地消除了信息孤岛现象，在进行深度数据融合基础之上，不断挖掘数据的价值，是以上三者的驱动所在；连接则是实现各组成部分之间动态实时交互、互联互通的保障[7]。整体架构如图2 所示。

图2 教学楼智慧运维平台架构

2.2 智慧运维平台构建方法

2.2.1 数字孪生体建模及数据采集

模型是数字孪生的重要组成部分，也是实现数字孪生相应功能的必要条件。要求其能够深入地刻画和反映物理实体的多维属性、实时状况，预测物理实体的发展趋势，实现虚拟实体对物理实体的忠实、镜像化反映，进而达成对物理实体的监控、仿真、预测和优化[8]，在一定程度上实现物理实体和虚拟实体的“同呼吸”。

关于几何和物理维度的建模，通常可以采用三维数字化建模利用Autodesk Revit、AutoCAD、BIMMAKE 等软件将与教学楼相关的结构、空间、设施等信息集合在一起，实现教学楼的信息化、三维可视化。

关于动态要素建模，通常需要在教学楼实体中安装相应的监控、RFID 设备、探测器和传感器等，借助物联网技术实现对教学楼实体的高精度数据采集和迅速传输。若采用无线传感器，需要考虑网络延迟、堵塞等情况给数据的实时性、精度造成的重大影响，采用文献[9]提出的阻塞自适应数据采集方案可以有效地解决网络阻塞问题，同时确保数据的精度；传感器的布置和传感器网络的构建应以安全、快速、准确为原则；解决数据传输的多源异构、数据传输的实时性、数据传输协议等问题，采用武汉大学计算机学院地球空间信息技术协同创新中心的蒋俊等人提出的一种基于软件定义资源的实时控制CPS 数据传输模式可以有效满足数据跨平台、跨网络、实时性等要求[10]。除此之外，教学楼实体中执行器、控制器的布置等问题也需引起同样的重视。

关于数字孪生模型的相应构建标准，可参考国内学者陶飞等人提出的“四化四可八用”构建准则[11]。

2.2.2 教学楼服务系统

教学楼服务系统是指在数据的驱动下各类服务系统功能的集合，可对实体要素进行管控和优化。

在教学楼的运维过程中，虚拟模型与教学楼实体进行相关信息的叠加与实时交互，基于运维的历史数据、实时数据、仿真数据等，虚拟模型对实体要素的状态进行分析、评估和预测，服务系统对初始运维方案进行修正与优化，同时下达管控指令至教学楼实体，相关要素严格遵照指令进行调整并实时将运行数据真实反映至服务系统。当实时数据与指令发生矛盾时，服务系统将再次对运维方案进行修正并重复上述程序，经过数次迭代，最终实现对实体要素的最优配置。该运维阶段产生的相关数据将录入孪生数据库，与现有数据进行融合后作为后续运维的驱动。

2.3 智慧运维平台功能[8]

2.3.1 能耗管理

能耗管理是指对教学楼运维过程中水、电、热、气等能源消耗进行监测、分析、控制和优化等，针对能源消耗量巨大、能源利用率低、能源的有限性等问题对能源进行精细化管理，实现能耗最优管控。根据相关设备收集到的高保真实时数据，虚拟模型对教学楼实体运维状态进行模拟、仿真和预测，通过虚实之间的实时交互，运维方案得以进行动态调整和优化，实现对实体中相关能耗设备的控制。以地源热泵空调子系统为例，通常人体对湿度、温度及室内空气质量是有存在舒适感知区间的，一成不变的能耗支出并不能带来很好的舒适感。依托能耗管理功能可对教学楼内部相关设备的运行效率、温度、CO2浓度等进行实时监测，同时根据实时数据动态调整地源热泵空调子系统相关参数，控制风、热等的排出量。

2.3.2 故障预测与健康管理

故障预测与健康管理是指利用各类传感器和监测设备对数据进行采集和处理，对设备健康状况进行评估并对其做出预测，针对教学楼运维模式被动、设备状态难以把握等问题，实现由传统低效率的事后维修到高效率的事前保养、维护等转变，从而提高设备寿命和促进其健康运行。教学楼中难以监测到的隐蔽工程将彻底展现在视野下，各个设备都将实现全生命周期数字化管控。

2.3.3 消防安全管理

安全是智慧建筑所应具备的最基础也是最重要的功能。以消防安全为例，教学楼实体通过物联网技术和传感器设备（烟感、温感）可组装智能报警装置和喷淋装置，根据事先设定的报警程序，当传感器感受到高于常规值的温度、烟雾时，相关数据会实时传输至虚拟模型进行模拟和仿真，服务系统对运维方案和相关要素进行调整和调动。在下达指令控制教学楼实体做出反应的同时，根据实体反映的实时数据，虚拟模型不断对其进行模拟、仿真和优化，服务系统对应对方案作出动态调整直至消除危险。教学楼中发生火灾时，若火情处于萌芽状态，运维平台会迅速启动喷淋装置灭之；若发生爆炸造成火势突发蔓延，在启动消防警报鸣笛的同时，教学楼将进入应急状态，相应的后备电源、喷淋装置、安全电梯、紧急通道等设施均会在运维平台的调度下协调运作，确保人身安全、建筑安全。

3 智慧建筑运维平台的特点

3.1 虚实融合

教学楼实体与虚拟模型之间是双向真实映射的。虚拟模型是对教学楼实体的完全忠实再现和模拟，通过高保真的实时数据，真实、动态地还原教学楼实体；教学楼实体对虚拟模型经过模拟、仿真、预测和优化等做出的指令严格执行，确保实现调度最优化。

3.2 数据驱动

数据是最有效的驱动，教学楼实体、虚拟模型和服务系统之间通过孪生数据实现两两之间的融合与交互。就服务系统而言，其在教学楼实体实时数据的驱动下对运维方案进行调整，并将方案在虚拟模型中进行模拟和仿真，经过不断地调整和优化达到要素最优配置；就教学楼实体而言，服务系统将指令下达至教学楼实体，在指令数据的驱动下调整相关要素的参数，同时将运行状态的数据传输至虚拟模型，在反馈数据的驱动下优化运行过程；就虚拟模型而言，其在初始运维方案的驱动下进行模拟和仿真，实现要素调动。在执行指令的过程中，实时监测教学楼实体的运行状态并在数据的驱动下进行反复模拟、仿真和预测等。相较于传统的由管理者的个人知识与经验驱动、离线/割裂数据交互、被动式运维，智慧运维平台实现了孪生数据驱动、实时数据交互、主动式预测等方面的巨大转变。

3.3 可视化

基于三维模型的创建和物联网等技术的应用，教学楼在相当程度上实现了信息化，通过搭建智慧运维可视化大屏，可将教学楼实体纳入人们的视野范围之内，形成使用者与模型之间的深度交互，给使用者带来沉浸感。同时，借助可视化的数字孪生模型，模型之间的结构关系、构件参数、教学楼实体运行状态等均可实现直观浏览。例如，发生火灾时，可视化大屏中虚拟模型的相关位置会迅速产生基于精确定位的火焰标志，将鼠标移动至火焰位置处，可实现对虚拟模型中火灾发生部位的细节展示，同时屏幕上会出现实时监控的视频、相关构件参数等相关信息，实现教学楼的可视化。

4 结语

数字孪生技术的发展为智慧建筑的建立奠定了坚实的基础，基于数字孪生的教学楼智慧运维平台研究是致力于实现建筑的智能化、智慧化的一次积极探索，对于建筑的节能降耗、安全性能和系统运行有效性的提高以及可视化展示等方面具有积极的意义。在如今物联网时代下，建筑行业走向智慧化道路必然是时代所向、大势所趋。