基于數(shù)字孿生的智慧建筑系統(tǒng)集成研究

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2112-5042-0623

摘要：智慧建筑系統(tǒng)集成是建筑領(lǐng)域發(fā)展中的一個(gè)重要方向，雖然在當(dāng)前的建筑領(lǐng)域中，已有很多先進(jìn)技術(shù)得以應(yīng)用，但是在智慧建筑系統(tǒng)集成方面，仍然面臨一定的困難。對(duì)此，利用數(shù)字孿生理論，提出工程全生命周期系統(tǒng)集成模式，形成智慧建筑數(shù)字孿生系統(tǒng)集成方法。以組態(tài)軟件平臺(tái)為基礎(chǔ)，促進(jìn)數(shù)字孿生建筑集成系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)更好的共享化轉(zhuǎn)變。基于數(shù)字孿生的智慧建筑系統(tǒng)集成，極大地提高了建筑智能化程度，推動(dòng)了社會(huì)的發(fā)展進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生 ?智慧建筑 ?系統(tǒng)集成 ?建筑智能化

中圖分類號(hào)：TU17???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ??文章編號(hào)：1672-3791（2022）04（b）-0000-00

Research on Intelligent Building System Integration Based on Digital Twin

GUO Yiting

（Department?of?Construction?Equipment?Engineering，?Hunan?Urban?Construction?College，?Xiangtan， Hunan?Province，?411101 China）

Abstract：?Intelligent building system integration is an important direction in the development of the construction field. Although many advanced technologies have been applied in the current construction field， it still faces some difficulties in intelligent building system integration. Therefore， using the digital twin theory， this paper puts forward the system integration mode of the whole life cycle of the project， and forms the digital twin system integration method of intelligent building. Based on the configuration software platform， promote the development and implementation of digital twin building integration system and realize better sharing transformation. Intelligent building system integration based on digital twin has greatly improved the degree of building intelligence and promoted the development and progress of society.

Key Words：?Digital twins; Smart building; System integration;?Building intelligence

數(shù)字孿生是一種比較先進(jìn)的超越現(xiàn)實(shí)的概念，它可以充分利用運(yùn)行歷史、傳感器更新、物理模型等數(shù)據(jù)，集成多概率、多物理量、多尺度、多學(xué)科的仿真過程。映射可以在虛擬空間中完成，進(jìn)而反映出相應(yīng)物理設(shè)備的整個(gè)生命周期過程。作為一種具有普遍適應(yīng)性的理論技術(shù)體系，數(shù)字孿生在很多領(lǐng)域中都能得到較好的應(yīng)用，如工程建設(shè)、產(chǎn)品制造、醫(yī)學(xué)分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等。其中，在工程建設(shè)領(lǐng)域中具有最為廣泛的應(yīng)用，體現(xiàn)在智慧建筑系統(tǒng)集成方面。

1智慧建筑系統(tǒng)集成的內(nèi)涵現(xiàn)狀

系統(tǒng)集成是一種新興服務(wù)方式，在國際信息服務(wù)領(lǐng)域中，發(fā)展速度十分迅猛。從本質(zhì)上來說，系統(tǒng)集成是最優(yōu)的綜合整體設(shè)計(jì)。在Internet領(lǐng)域，系統(tǒng)集成主要是基于客戶的業(yè)務(wù)需求，對(duì)應(yīng)用軟件、工具軟件、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、硬件平臺(tái)等進(jìn)行集成，使其信息功能相互關(guān)聯(lián)。近年來，在智慧城市大力建設(shè)的背景下，系統(tǒng)集成在智能建筑領(lǐng)域也開始得到應(yīng)用，極大地提高了智能化工程水平。根據(jù)智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)集成是將智能建筑中功能不同的智能化子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)功能、邏輯、物理角度的連接，進(jìn)而達(dá)到資源共享和信息綜合的目的。而智能建筑系統(tǒng)集成可分為兩個(gè)方面理解，從廣義上來說，系統(tǒng)集成主要是基于建筑物全面集成服務(wù)、運(yùn)用、水暖電等內(nèi)容。從狹義上來說，系統(tǒng)集成主要是弱電系統(tǒng)集成，處于BMS層次。而從本質(zhì)上看，BMS系統(tǒng)集成主要是在各個(gè)集成子系統(tǒng)之間，實(shí)現(xiàn)信息交換，執(zhí)行統(tǒng)一化的控制監(jiān)管。

在智能建筑系統(tǒng)集成的發(fā)展中，最初的目的是解決系統(tǒng)信息孤立的問題。在一個(gè)智能建筑系統(tǒng)中，有很多方面，相關(guān)子系統(tǒng)多達(dá)數(shù)十個(gè)，如公共廣播、門禁系統(tǒng)、消防報(bào)警系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、樓宇自控系統(tǒng)等。在智能規(guī)劃初期，各個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都應(yīng)用了獨(dú)立的控制軟件、系統(tǒng)設(shè)備、技術(shù)線路，因而在不同系統(tǒng)、軟硬件、系統(tǒng)運(yùn)行管理之間，均為相互分割的狀態(tài)，形成信息孤島，造成了資源浪費(fèi)，不符合集中管理和綜合監(jiān)控的需求。因此，智能建筑集成化管理系統(tǒng)的應(yīng)用，提供了統(tǒng)一的軟件平臺(tái)，利用系統(tǒng)平臺(tái)將不同設(shè)備、不同接口、不同平臺(tái)、不同需求、不同技術(shù)、不同功能、不同廠家的設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)集成化管理的標(biāo)準(zhǔn)，使建筑信息化、智能化程度得到了進(jìn)一步的提升。

2智慧建筑系統(tǒng)集成的特點(diǎn)分析

在智慧建筑集成化系統(tǒng)中，異構(gòu)子系統(tǒng)具有明顯的異構(gòu)特點(diǎn)。在硬件平臺(tái)方面，包括廣域網(wǎng)、局域網(wǎng)、工業(yè)控制網(wǎng)、現(xiàn)場總線，相關(guān)設(shè)備則包括個(gè)人計(jì)算機(jī)、工作站、工控機(jī)、各種類型的計(jì)算機(jī)等。在操作系統(tǒng)上，主要有Linux、OS/2、UNIX、DOS，以及各種版本的Windows系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)方面，主要有Informix、DB2、Sybase、Oracle、FoxPro、dBase、Access等。在開發(fā)工具方面，主要包括Java、Delphi、PB、VB、VC及各種匯編語言。因此，系統(tǒng)集成涉及知識(shí)、架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)的集成。智能化建筑系統(tǒng)的集成也存在很多困難，如可視化仿真模擬下的立體透明集成、大數(shù)據(jù)背景下的簡約和實(shí)時(shí)集成、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的融合、控制和管理層的互通互聯(lián)等。

在智慧建筑系統(tǒng)集成當(dāng)中，系統(tǒng)集成方式主要是硬接點(diǎn)的方式，也稱為干接點(diǎn)，通過向設(shè)備子系統(tǒng)添加輸入/輸出觸點(diǎn)或傳感器，將輸入/輸出觸點(diǎn)集成到另一個(gè)設(shè)備子系統(tǒng)中。在系統(tǒng)集成方面，一般以樓宇自控系統(tǒng)BAS為中心平臺(tái)。利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，將樓宇自控系統(tǒng)和其他子系統(tǒng)相連，從而對(duì)其他集成子系統(tǒng)進(jìn)行管理、控制、監(jiān)測。該方法的優(yōu)勢在于，能對(duì)BAS平臺(tái)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換功能加以利用，連通各個(gè)子系統(tǒng)。但是，如果樓宇自控系統(tǒng)出現(xiàn)故障，BMS綜合系統(tǒng)也會(huì)出現(xiàn)故障，無法繼續(xù)管理和監(jiān)控其他子系統(tǒng)。系統(tǒng)集成方式采取了OPC及子系統(tǒng)并行的方式，將大系統(tǒng)劃分為控制層、管理層，管理層為中央數(shù)據(jù)庫，控制層是每個(gè)子系統(tǒng)。但是，如果中央監(jiān)控平臺(tái)或子系統(tǒng)不能提供標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議接口，這種模式很難應(yīng)用。

3基于數(shù)字孿生的系統(tǒng)集成方法

傳統(tǒng)的系統(tǒng)集成方法各自具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，雖然目前應(yīng)用比較多，但是其對(duì)于智慧建筑系統(tǒng)集成在建筑大數(shù)據(jù)時(shí)代和建筑工業(yè)化背景下提出的新要求仍無法滿足。當(dāng)前對(duì)于智慧建筑系統(tǒng)集成的要求，主要是對(duì)建筑大數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可靠處理，為適應(yīng)建筑工業(yè)化的趨勢，滿足數(shù)據(jù)安全和智能化的需求，并建立科學(xué)的模型。在此基礎(chǔ)上，提出基于數(shù)字孿生的智能建筑系統(tǒng)集成方法，能夠更好地滿足系統(tǒng)集成的要求，促進(jìn)建筑工程全生命周期集成的有效實(shí)現(xiàn)。在數(shù)字孿生理念中，將地理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)科學(xué)、智能控制、系統(tǒng)工程、圖形圖像學(xué)等多學(xué)科知識(shí)加以集合，基于實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)字化工程的需求，構(gòu)建了多模型仿真與數(shù)據(jù)線的綜合集成模式。

數(shù)字孿生系統(tǒng)集成方法可以很好地應(yīng)用于各種系統(tǒng)。無論是智能建筑系統(tǒng)中的單個(gè)設(shè)備、單個(gè)建筑構(gòu)件，還是大型智能建筑項(xiàng)目，都可以利用多粒度的數(shù)字孿生集成思想進(jìn)行不同層次的集成。之后利用縱向集成方式，達(dá)到縱橫交錯(cuò)的透明化互聯(lián)互通。在建筑智能化系統(tǒng)當(dāng)中，數(shù)據(jù)傳輸非常重要，現(xiàn)代化建筑中需要能夠有效地交換處理各種數(shù)據(jù)信息，如企業(yè)調(diào)度信息、質(zhì)量控制信息、系統(tǒng)維護(hù)信息、手動(dòng)控制信息、監(jiān)測信息、報(bào)警信息、能源管理、實(shí)踐報(bào)告信息、日程改變信息、設(shè)定值更改信息、控制信息等。要實(shí)現(xiàn)對(duì)這些數(shù)據(jù)的快速便捷的訪問，利用數(shù)據(jù)集成的方式，使通信成本下降。而數(shù)字孿生系統(tǒng)集成平臺(tái)，對(duì)于這些要求均可有效滿足，因而具有較好的可行性。

4信息物理系統(tǒng)與數(shù)字孿生分析

信息物理系統(tǒng)是一種多維復(fù)雜系統(tǒng)，綜合了物理、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算等多重環(huán)境。系統(tǒng)可利用3C技術(shù)，實(shí)現(xiàn)深度協(xié)作、有機(jī)融合，進(jìn)而在大型工程系統(tǒng)中滿足信息服務(wù)、動(dòng)態(tài)控制、實(shí)時(shí)感知的要求。信息物理系統(tǒng)中，統(tǒng)一了物理和計(jì)算的進(jìn)程，作為新一代智能系統(tǒng)，融合了控制、通信、計(jì)算等多種功能。在信息物理系統(tǒng)中，利用信息虛體，可實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的協(xié)同、安全、遠(yuǎn)程、可靠、實(shí)時(shí)操控。借助人機(jī)交互接口，使人能夠和信息物理空間相交互，也讓信息物理系統(tǒng)在一定程度上具備了人類智慧。因此，信息物理的本質(zhì)既是網(wǎng)絡(luò)，又是控制系統(tǒng)，具有一定的控制屬性，同時(shí)也具有網(wǎng)絡(luò)屬性。信息物理系統(tǒng)作為一種重要的系統(tǒng)，在全世界范圍內(nèi)都得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。

數(shù)字孿生概念最早是在工業(yè)制造領(lǐng)域中誕生，它可以充分利用運(yùn)行歷史、傳感器更新、物理模型等數(shù)據(jù)，集成多概率、多尺度、多物理量、多學(xué)科的仿真過程，在虛擬空間中完成映射過程，進(jìn)而反映相應(yīng)物理設(shè)備的全生命周期過程。在數(shù)字孿生當(dāng)中，服務(wù)、控制、數(shù)據(jù)、管理、模型、數(shù)字空間、物理空間等都是其中的關(guān)鍵要素。數(shù)字孿生也具有很大的啟發(fā)性意義，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)向信息空間數(shù)字化模型的反饋。以業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)中，還需要反饋循環(huán)來實(shí)現(xiàn)真實(shí)數(shù)據(jù)生命周期跟蹤，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真實(shí)生命周期概念。利用數(shù)字孿生對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行模型化描述，智能系統(tǒng)功能作用能夠得到更好的發(fā)揮，可以滿足智能化建筑系統(tǒng)集成的要求。

5基于數(shù)字孿生的智慧建筑系統(tǒng)集成模式

從物理系統(tǒng)的角度分析建筑，智能建筑系統(tǒng)集成可以看作是建筑信息虛擬體、建筑物理實(shí)體和人的智能的結(jié)合。在智能時(shí)代下，區(qū)塊鏈可信計(jì)算、5G物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、海量大數(shù)據(jù)等均得到了充分的應(yīng)用，在智慧建筑系統(tǒng)集成方面，也體現(xiàn)出了全景實(shí)時(shí)可視交互、全體系精準(zhǔn)管控、全域立體感知、全數(shù)據(jù)智能決策、全系統(tǒng)可信互連等特點(diǎn)。而隨著這些特點(diǎn)的不斷深化，智能建筑系統(tǒng)集成也向數(shù)字孿生建筑的方向發(fā)展。數(shù)字孿生建筑結(jié)合了建筑的物理和數(shù)字方面，以模型體系、數(shù)據(jù)線程為核心。在智慧建筑系統(tǒng)集成當(dāng)中，數(shù)字孿生建筑提供了可行的方法和路徑。在數(shù)字孿生建筑系統(tǒng)集成的參考模型當(dāng)中，主要包括商業(yè)級(jí)、企業(yè)級(jí)、單元級(jí)、集成系統(tǒng)級(jí)、單系統(tǒng)級(jí)等不同層次。在每一層中都可以利用數(shù)字孿生，滿足多粒度數(shù)字孿生的要求。

在單元級(jí)系統(tǒng)集成中，在虛擬建筑設(shè)備方面，管理和控制建筑設(shè)備的維護(hù)活動(dòng)、運(yùn)行過程、生產(chǎn)要素等。在單系統(tǒng)級(jí)系統(tǒng)集成中，主要涉及樓宇自控、安防、消防及低級(jí)別子系統(tǒng)。在虛擬子系統(tǒng)和物理子系統(tǒng)之間，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互、雙向映射，融合各子系統(tǒng)的多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、全流程、全要素。在系統(tǒng)集成中，主要是對(duì)智慧建筑集成管理系統(tǒng)云平臺(tái)加以建立，保證系統(tǒng)管理運(yùn)營、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建設(shè)、虛實(shí)聯(lián)動(dòng)能力得到加強(qiáng)。在企業(yè)系統(tǒng)集成中，主要是建立企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)的云平臺(tái)，以滿足供應(yīng)鏈管理和客戶關(guān)系管理的要求。在業(yè)務(wù)級(jí)系統(tǒng)集成方面，以企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)和智能樓宇集成管理系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立業(yè)務(wù)級(jí)智能樓宇集成管理系統(tǒng)云平臺(tái)，從而使建筑具備商業(yè)智能能力，滿足建筑智能經(jīng)濟(jì)生態(tài)的要求。

6結(jié)語

智慧建筑是建筑領(lǐng)域未來發(fā)展中的一個(gè)重要的方向，能提高建筑智能化程度及水平，為人們的生活提供更大的便利和安全保障。而傳統(tǒng)的智慧建筑中，各智能系統(tǒng)沒有實(shí)現(xiàn)較好的集成，影響了其智能化水平的提升。基于此，運(yùn)用數(shù)字孿生理念，基于數(shù)字孿生提出新的智慧建筑系統(tǒng)集成方案，使各個(gè)系統(tǒng)之間達(dá)到真正的集成，進(jìn)而更好地滿足建筑智能化發(fā)展的要求。

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基金項(xiàng)目：湖南城建職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目《基于BIM+數(shù)字孿生技術(shù)的樓宇設(shè)備及系統(tǒng)智能化管理平臺(tái)的研究》（項(xiàng)目編號(hào)：21YJZD02）成果。

作者簡介：郭怡婷（1982—），女，碩士，副教授，從事建筑智能化、職業(yè)教育等方面的研究。