基于數(shù)字孿生的低碳數(shù)字少年宮建設方案研究

郭溪

摘? ?要：自碳達峰、碳中和目標提出以來，我國高度重視綠色低碳發(fā)展，各行各業(yè)致力于能耗的監(jiān)測與管理。少年宮作為標桿性建筑，通過構筑數(shù)字孿生平臺，發(fā)揮數(shù)據(jù)價值，降低能源消耗，同時打造智慧化系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)字化運營管理。因此，通過介紹數(shù)字孿生的概念與實施價值，分析基于數(shù)字孿生的低碳數(shù)字少年宮的主要建設方案及其功能，提出其運營管理價值，助力以數(shù)字少年宮為代表的低碳建筑的智慧化轉型升級。

關鍵詞：數(shù)字孿生；低碳；數(shù)字少年宮

中圖分類號：FTU17? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1673-291X（2023）18-0057-03

一、研究背景

碳達峰、碳中和目標是我國基于當前環(huán)境問題和能源危機提出的重大戰(zhàn)略決策。2021年10月24日，中共中央、國務院印發(fā)了《關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》，就經(jīng)濟社會發(fā)展全面綠色轉型、產(chǎn)業(yè)結構等10個方面提出了31條措施，標志著雙碳工作最高頂層設計的正式出臺。2021 年10月26日，國務院印發(fā)了《2030年前碳達峰行動方案》，提出了重點實施能源綠色低碳轉型、節(jié)能降碳增效等“碳達峰十大行動”。該方案是碳達峰階段的總體部署，標志著我國進入了以降碳為重點戰(zhàn)略方向、促進經(jīng)濟社會發(fā)展全面綠色轉型的關鍵時期。

少年宮作為典型的公共建筑，往往承接科技體驗館、青少年活動中心、規(guī)劃展示館等承擔的多種功能，是一個城市的標桿性建筑，是數(shù)字化新基建內容的重要組成部分，具有使用上的開放性、功能上的多樣性、建筑結構和人流交通的復雜性等特點。零碳建筑的理念與實踐近年來日趨增強，通過數(shù)字化手段打造信息化、專業(yè)化、智慧化的低碳數(shù)字少年宮，以更加精細、動態(tài)的方式實現(xiàn)綠色高質量發(fā)展，是助力實現(xiàn)雙碳目標、提升數(shù)字化管理能力、打造適應信息化社會發(fā)展需求的現(xiàn)代化新型建筑的重要切入點和著力點。

二、數(shù)字孿生的定義與價值

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。簡單來說，數(shù)字孿生就是在一個設備或系統(tǒng)的基礎上，創(chuàng)造一個數(shù)字版的“克隆體”。在工業(yè)4.0研究院協(xié)助下，2020年4月7日國家發(fā)改委和中央網(wǎng)信辦聯(lián)合印發(fā)了《關于推進“上云用數(shù)賦智”行動培育新經(jīng)濟發(fā)展實施方案》，首次指出數(shù)字孿生體是七大新一代數(shù)字技術之一，其他六大技術為大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、5G、物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈。

通過將數(shù)字孿生技術應用于低碳數(shù)字少年宮的建設中，可實現(xiàn)如下價值。（1）更直觀、更便捷的管理。通過仿真工具、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實等各種數(shù)字化的手段，將物理設備的各種屬性映射到虛擬空間中，形成數(shù)字鏡像，更有利于優(yōu)化設計、制造和服務等過程。（2）更全面的監(jiān)測。借助于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術，通過物理傳感器采集的指標和直接數(shù)據(jù)，并借助大樣本庫，通過機器學習推測出一些原本無法直接測量的指標。（3）更全面的分析和預測能力。結合物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)的處理和人工智能的建模分析，實現(xiàn)對過去發(fā)生問題的診斷、對當前狀態(tài)的評估，以及對未來趨勢的預測，并給予分析的結果，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持。（4）數(shù)字化的經(jīng)驗復制。數(shù)字孿生技術的一大關鍵優(yōu)勢是可以通過數(shù)字化的手段，將原先無法保存的專家經(jīng)驗進行數(shù)字化，并提供保存、復制、修改和轉移的能力[1]。

打造基于數(shù)字孿生的建設運維+雙碳管理的現(xiàn)代化少年宮，可以在展示、感知、控制、回溯等環(huán)節(jié)實現(xiàn)虛擬空間的全方位映射，以及實體建筑的全生命周期過程智能化管理，保證了功能上的多樣性，并集自控、人員、安防、消防、數(shù)字化運營關鍵數(shù)據(jù)于一體，以風險防控為底線，提升數(shù)字化管理能力，符合全球綠色經(jīng)濟發(fā)展對于中國的要求和高質量發(fā)展要求。

三、建設方案

數(shù)字孿生低碳少年宮的建設方案包括雙基座、三平臺、一中心。將少年宮內所有可管理對象數(shù)字化，并納入數(shù)字孿生基座，通過信息資源整合與共享，對空間數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，并直觀展示各類應用界面。

（一）雙基座：BIM+3Dmax數(shù)字孿生基座

BIM是指基于先進三維數(shù)字設計解決方案構建的可視化的數(shù)字建筑模型。全生命周期管理場景將應用BIM技術來提高建筑工程管理的集成化程度和交付能力，使工程的質量和效率顯著提高，從而減少返工，減少浪費，提高效率[2]。

3Dmax主要目的是進行可視化建模，其定位是進行建筑表現(xiàn)和動畫展示。數(shù)字孿生可視化平臺應用3Dmax能夠快速進行建模、渲染。

基于數(shù)字孿生基座，通過在少年宮全面部署的各類傳感器，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的可視化管理，包括設備數(shù)據(jù)可視化、人員數(shù)據(jù)可視化、會議可視化、能耗數(shù)據(jù)可視化、告警數(shù)據(jù)可視化、車輛數(shù)據(jù)可視化等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中共享、精準主題數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)輔助決策，從而發(fā)揮數(shù)據(jù)的最大價值[3]。

（二）全生命周期管理平臺

全生命周期管理平臺是一種基于BIM引擎的工程項目全生命周期協(xié)同管理中臺，用于數(shù)字化建設管理[4]。全生命周期覆蓋咨詢規(guī)劃階段包括項目可研、建設方案分析、體量模型創(chuàng)建、3D可視化；設計階段包括：方案比選、專業(yè)設計建模、碰撞測試、虛擬漫游、正向設計；建造階段包括施工深化設計、施工進程模擬、工程量統(tǒng)計、建構竣工模型；運維階段包括運維方案策劃、運維模型建構、運維系統(tǒng)搭建、改造管理等。該平臺打通設計、工程、運維階段數(shù)據(jù)通道，集成于一體化服務平臺，對于關鍵風險點進行全生命周期管理，并配置接口，對接設計中間件、施工中間件、運維中間件。在低碳數(shù)字少年宮應用場景中，對智能化建設項目整體進度進行可視化管理與過程管控，為項目全周期提供數(shù)字化管理平臺和服務。

（三）智慧少年宮管理平臺

智慧少年宮管理平臺包含樓宇自控、綜合安防、人員管理、消防預警、智慧運維等數(shù)據(jù)處理中臺，用于數(shù)字化內部運營管理。

1.樓宇自控系統(tǒng)

整合各個樓宇內的電梯、空調設備、冷源設備、新風系統(tǒng)等設備傳感數(shù)據(jù)，顯示設備的當前運行狀態(tài)，并根據(jù)設備參數(shù)性能、使用性能設定多維度、多狀態(tài)的識別反饋機制，結合項目模型位置、設備三維模型、感嘆號、紅色閃爍等圖形特效，自動直觀地呈現(xiàn)異常設備。

智能供電：在三維場景中直觀呈現(xiàn)建筑樓宇內主干供電線路、變配電間及供電設備的空間分布和具體位置，同時點擊可查看相關監(jiān)測數(shù)據(jù)。

智能供排水：可對接設備監(jiān)測數(shù)值及告警信息，實現(xiàn)故障設備高亮顯示，用水超標閾值告警，并支持管理者進行遠程控制智能水閥開閉。

智慧節(jié)能：針對少年宮內復雜用電場景，提供無線、有線、計量、漏電監(jiān)測等多類型物聯(lián)網(wǎng)傳感設備，覆蓋少年宮各類型用能環(huán)節(jié)，實現(xiàn)全方位用電智能管理。

資源實時監(jiān)控：在三維場景中直觀展示設備空間分布及工況，直觀看到每臺設備在樓宇內的具體位置，同時點擊可查看相關信息，方便進行調節(jié)控制。

2.綜合安防系統(tǒng)

門禁、駐車管理：以數(shù)據(jù)對接的形式將人臉識別系統(tǒng)、車輛管理系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)等告警數(shù)據(jù)進行對接，在平臺中對各類告警數(shù)據(jù)進行匯總呈現(xiàn)，以便用戶從宏觀角度快速發(fā)現(xiàn)異常。

樓宇監(jiān)控系統(tǒng)：整合少年宮各類安防設施資產(chǎn)，實現(xiàn)視頻監(jiān)控，人臉識別設備，設備的位置、分布、狀態(tài)及運行異常告警，結合三維場景實現(xiàn)精準定位，提升基礎設施運維效率，滿足不同場景下的監(jiān)控需求。

報警聯(lián)動系統(tǒng)：安消聯(lián)動、閘機視頻聯(lián)動等場景使警情響應時間大幅縮短，做到及時發(fā)現(xiàn)、準確判斷、及時響應。

3.人員管理系統(tǒng)

人流、車輛監(jiān)控：在CIM平臺上可快速查看車位資源，解決車位管理問題。平臺可實現(xiàn)停車位可視化查詢、校區(qū)停車及充電樁指引與導航，以及校區(qū)車輛視頻監(jiān)控等功能。

智慧停車：員工通過小程序綁定車牌，在停車場門口進行人臉識別測溫與車牌自動識別后自動放行，還可對車輛出入記錄實時查詢。訪客通過掃描二維碼，登記車牌和訪客基礎數(shù)據(jù)，在停車場門口進行人臉識別測溫與車牌自動識別，可對車輛出入記錄實時查詢。

員工出入權限管理：CIM平臺可集成視頻監(jiān)控、周界報警、門禁報警、電子巡更、移動執(zhí)法終端等系統(tǒng)數(shù)據(jù)，對少年宮內重點部位、人員、車輛、告警事件等治安要素的實時狀態(tài)進行可視化監(jiān)測。

訪客管理：訪客通過訪客一體機快速進行無接觸自助登記，由公安內網(wǎng)進行人證對比，審核通過后，由后臺記錄姓名、出入時間、體溫情況等數(shù)據(jù)，體溫異常情況發(fā)出預警并自動記錄。

4.消防預警系統(tǒng)

消防態(tài)勢管理：整合少年宮各類消防設施資產(chǎn)，將消防設備的位置、分布、狀態(tài)及告警，結合三維場景實現(xiàn)精準定位，提升基礎設施運維效率，結合安防資源信息與告警數(shù)據(jù)，輔助判斷消防告警的準確性。

巡更、安消設備聯(lián)動：少年宮人員使用此系統(tǒng)可直接通過平臺制訂消防巡檢計劃、設備巡檢計劃、品質檢查計劃等，一線工作人員可直接通過APP端執(zhí)行任務（少年宮支持感應NFC或二維碼確認），并在手機端上傳巡檢情況。

火災應急響應：如某區(qū)域出現(xiàn)煙感告警，應計算距離最近的攝像頭，自動調取視頻畫面，通過三維平臺直接點取攝像頭畫面，輔助判斷是否出現(xiàn)火情等情況，提高運維質量，保障少年宮安全。

5.智慧運維系統(tǒng)

該系統(tǒng)可對少年宮內部各類設備、設施進行三維建模，以真實復現(xiàn)設備設施外觀、結構、運轉詳情。支持集成視頻監(jiān)控、設備運行監(jiān)測以及其他前端傳感器實時上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對各類設施具體位置、類型、運行環(huán)境、運行狀態(tài)進行監(jiān)控。可實時查看設施的詳細資料、修繕記錄、視頻監(jiān)控畫面等信息，支持設備運行異常（故障、短路沖擊、過載、過溫等）實時告警，從而可輔助管理者直觀掌握設備運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)設備故障問題、及時進行設施搶修，以最快時間恢復正常運營。

（四）雙碳管理平臺

雙碳管理平臺包括能耗管理、用電精細化管理、雙碳對標管理中臺等，主要用于外部交互管理。

1.能耗管理系統(tǒng)

接入少年宮用電、用水等能源消耗信息，進行可視化展示，對異常狀態(tài)進行能耗預警。能耗管理分兩類。一類是設備的能耗信息，包括變壓器、服務器、空調、打印機等耗能設備的能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)；另一類是對用電線路負載的可視化監(jiān)控，高于日常平均負荷功率可進行預警，并生成能耗異常事件，提醒主管人員及時維護處理。系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)頁面，頁面左側為能源使用情況監(jiān)測，主要展示電量、電費統(tǒng)計數(shù)據(jù)、電壓、電流統(tǒng)計數(shù)據(jù)、用水情況等指標，右側為事件監(jiān)測預警，展示告警事件的時間、位置、詳情，點擊事件位置，三維鏡頭自動下鉆到該位置。

同時，該系統(tǒng)可提供基于AI算法的能效分析診斷。對數(shù)據(jù)機房、配電房等關鍵區(qū)域的溫度、濕度、煙感、水浸狀態(tài)進行監(jiān)測和告警，保障設備運行安全穩(wěn)定。對辦公區(qū)域的溫濕度、CO2濃度、光照度進行監(jiān)測，為設備運行狀態(tài)調節(jié)提供依據(jù)，保障辦公環(huán)境舒適度。通過能源消耗過程的可視、可控以及節(jié)能效果的量化管理，為設備運行模式動態(tài)調節(jié)提供依據(jù)，并評估節(jié)能效果、提供整改建議。

2.用電精細化管理平臺

通過AIoT技術，搭載新一代智慧空開，實現(xiàn)對用電線路的電壓、電流、功率、用電量、線路溫度、漏電流等參數(shù)實時監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)設備發(fā)生故障實時上報，通過大數(shù)據(jù)分析對線路進行精細化節(jié)能管理。同時，通過集中控制管理，實現(xiàn)智能化環(huán)境自適應改變，包括根據(jù)環(huán)境與人流量自動調整燈光方案、調節(jié)空調設定等。

3.雙碳對標管理

通過與國內、國際雙碳管理的雙對標，進一步完善碳資產(chǎn)管理的流程優(yōu)化，并探索碳排放核算、綠標認證、CCER交易管理、碳指標運營等碳中和實現(xiàn)路徑。通過數(shù)字孿生+雙碳管理平臺，與上級平臺進行智能化對接，將數(shù)字低碳少年宮打造為低能耗建筑、進而實現(xiàn)零能耗建筑。

（五）一中心：智慧數(shù)據(jù)中心（數(shù)字資產(chǎn)管理）

智慧數(shù)據(jù)中心也稱為智能運營管理中心，包含數(shù)據(jù)駕駛艙和移動數(shù)據(jù)管理。

1.數(shù)據(jù)駕駛艙/數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理

用于日常的少年宮工作匯報與展示場所，在一圖可視、一鍵閉環(huán)、一數(shù)共享的建設基礎上，貫穿少年宮各方面方法規(guī)范，形成全新的數(shù)字孿生運營體系，通過可視化技術，真正打通數(shù)字世界與現(xiàn)實世界，并相輔相成，形成常在線、穩(wěn)定運轉的少年宮運營大腦。

2.數(shù)據(jù)多終端實時管理

利用監(jiān)控設備對少年宮場所進行全方位、立體化管理和監(jiān)控。另外，可以對攝像機、云臺進行遠程控制，自動設置各種報警與聯(lián)動，并對監(jiān)控內容進行數(shù)字錄像和儲存，對數(shù)字錄像文件進行編輯、檢索和回放功能，便于管理人員隨時隨地實施決策。

四、結束語

通過構建數(shù)字孿生基座，將布放于少年宮各個位置的傳感器所采集的數(shù)據(jù)反饋至統(tǒng)一平臺，并對數(shù)據(jù)進行整合和深度挖掘分析，以充分發(fā)揮數(shù)據(jù)價值，為少年宮的運營管理提供決策支撐。該系統(tǒng)可實現(xiàn)兩方面價值。一方面是，通過平臺整合少年宮所有智慧化子系統(tǒng)，無需復雜的接口開發(fā)即可實現(xiàn)智慧場景聯(lián)動，降低管理成本，提高管理效率；另一方面是，通過對各類能源消耗的監(jiān)測、優(yōu)化，減少不必要的能耗浪費，優(yōu)化資源配置?；跀?shù)字孿生的低碳數(shù)字少年宮將綠色低碳理念貫穿于少年宮規(guī)劃、建設、運營和維護全過程，降低全生命周期能耗和碳排放，致力于打造低碳建筑，助力雙碳目標的實現(xiàn)。

參考文獻：

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[3]? ?袁炯斌，林澤源，劉雅婷，等.可視化與物聯(lián)網(wǎng)技術在電力機房仿真巡檢輔助中的應用[J].中國高新科技，2020（1）：121-123.

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