基于CityGML的城市能源消耗分析与可视化——瑞典智慧城市案例

李冰蟾，毛 波

(1.江苏海事职业技术学院 电气与自动化工程学院，江苏 南京 211100；2.南京财经大学 信息工程学院，江苏 南京 210023)

0 引 言

能源是城市运行的基础，特别是随着城市规模的扩大，能源的供给、传输与消费越来越影响着城市的空气，水以及土壤环境，因此，能源消耗分析是城市可持续发展的关键研究，也是实现智慧城市的重要课题。目前，能源种类多样化趋势越来越强，新能源技术及产品，如屋顶光伏发电、风能、新能源汽车、热泵、智能电网大范围采用，随之而来的各种补贴、价格以及市场政策，使得城市能源消耗分析的复杂性大幅提高。而现有的主要分析手段，是针对单独能源种类进行设计与实现的，如电力、天然气等，缺乏对城市多种能源的集成分析，这就难以反映城市能源消耗的整体状况，因此，建立综合性城市能源分析框架，对于改进城市规划，能源投资利用以及公众交流都具有重要的理论和现实意义。

城市作为复杂的综合体，其地上地下三维特征突出，因此，要实现对城市的准确能源消耗分析，必须要建立在城市三维模型基础之上。在城市三维模型领域，CityGML作为较为广泛使用的标准，在城市形态表征及其语义描述方面具有良好的特性，且支持对于应用领域的扩展。因此，采用CityGML实现城市能源消耗基础数据的标准化管理与共享，对于提高分析工具的可重用性具有重要意义。目前，已有多个城市推出了其官方三维模型数据，其中柏林，哥本哈根等都采用CityGML作为官方模型标准。虽然目前已经发布的模型在精细度、语义丰富性上还具有较大的欠缺，但随着数据采集和融合工作的深入，标准化城市三维模型将成为多种应用的支撑基础，其中就包括城市能源消耗分析。

瑞典作为全球能源高效利用的先进国家，其首都斯德哥尔摩的哈默比新区（Hammarby Sjöstad）是一个以全新生态概念规划建立的友好型社区，该区原本是一个破败的工业城区，有着严重的污染问题。20世纪90年代初，为了争取奥运会的举办权，斯德哥尔摩市政府联合几个大的地产开发商，进行该区的重建，并且坚持以可持续发展的长远目标持续着创新变革。目前哈默比新区已经成为全球城市可持续发展的样板。在此基础上斯德哥尔摩市政府积极推进城市能源消耗分析技术的发展与应用，并以哈默比新区作为示范区域，实现技术的落地应用与效果检测。本文作者目前正在参与该能源消耗分析决策工具的开发，将通过本文介绍在欧洲智慧城市建设的相关实践，主要包括相关工作研究，基于CityGML的能源消耗模拟与分析框架以及分析结果可视化展示。

1 相关研究

能源消耗模拟分析。城市能源模拟涉及多种学科领域，包括气象、电力、热力、材料、建筑、经济等，是一项复杂的工程。为此，研究机构开发了相关的通用模拟系统套件，并支持模块扩展。一般的，能源消耗模拟涉及能源需求模型，资源模型以及经济价格模型。目前已经有多种较为成熟的软件用于分析能源需求与资源模型，包括Eneryg Plus、 TRNSYS、energy hubs、 CitySIM等。Eneryg Plus[1]是美国能源部资助开发的大型能耗分析计算软件，基于动态负荷理论，采用反应系数法，能对建筑物及相关的供热、通风和空调设备能耗进行模拟计算。目前已经被广泛应用于国内外的建筑能耗模拟分析，但Energy Plus不具备友好的用户界面，主要作为模拟内核由专业程序开发人员编程使用，这大大限制了它的通用性与易用性[2-3]。TRNSYS[4]是一款商业能源模拟软件，其模块具有可扩展性，特别是在太阳能系统和建筑节能方面，有着广泛和完善的应用场景. CitySIM[5]则在城市宏观范围内，提供了对城市能源等多种指标进行整体模拟的系统。energy hubs[6]能够实现多种能源的转换、存储与传输的集成分析。要精确模拟城市能源消耗，需要城市三维模型的支撑。

目前存在着多种城市三维模型。在建筑物层面，主要涉及BIM(Building Information Model)模型，包括IFC(Industry Foundation Class)和gbXML(green building XML)两种标准描述格式，其中IFC主要用于描述建筑物及建筑行业的数据，而gbXML则主要用于在不同的设计与模拟软件之间共享建筑物信息。在城市尺度，目前已经有的开放标准主要包括CityGML与INSPIRE(Infrastructure for Spatial Information in the European Community)[7]。前者是OGC三维城市模型标准，而后者则是欧盟范围内的一个空间数据描述标准。相比而言，CityGML在城市及区域尺度更加方便，而INSPIRE则侧重于国家/洲际这样更大的尺度。此外在能源模型支持方面，gbXML也广泛应用于建筑物尺度的能耗数据分析与交互，但在城市尺度，截至2016年还缺乏国际通用的能耗表示标准，CityGML与INSPIRE也缺乏对能耗的系统性描述。尽管如此，CityGML作为一个开放的标准，支持领域扩展（Application Domain Extensions ADE）。在能耗分析领域，Energy ADE[8]与UtitltyNetwork ADE[9]可以用来描述城市尺度的能源管网，能源需求与消耗，建筑物能耗指标等语义信息。

为了实现城市能耗分析数据的快速共享与三维交互可视化，需要在线三维可视化框架的支持。随着浏览器能力的提升，直接在浏览器内展示三维内容已经成为可能。新一代网络标准HTML5已经将三维可视化标准WebGL作为其原生内容之一。目前基础的浏览器三维可视化策略是直接采用WebGL进行开发，主要的浏览器包括Chrome、Firefox、Safari以及IE都支持WebGL，基于WebGL的可视化结果可以在这些浏览器内实现跨平台显示。由于WebGL标准涉及底层三维开发，因此基于WebGL，出现了X3DOM、Threejs等三维可视化库，他们提供了更高级别的可视化接口，支持直接定义多边形、纹理、光照、背景等。相比于WebGL，降低了难度，但这些可视化库针对通用三维展示开发，缺乏对GIS的支持。在GIS支持方面，Cesium是一个基于WebGL的在线三维可视化平台，其具有良好的GIS支持特性，类似开源的网页版本谷歌地球，可以实现2D、3D的地理数据可视化，并支持多种地图服务（WMTS），实现多层数据叠加。目前Cesium已经用于多种在线地理信息系统的实现[10]。

2 系统框架

在系统实现方面，项目组提出了一种基于三维城市标准模型的能源消耗分析与可视化系统，包括基础数据集成、能源模拟系统以及结果可视化3个主要部分。

2.1 基础数据集成

针对三维城市能源消耗分析要求，需要集成能源生产、传输、消耗数据，为此，CityGML标准作为城市基础数据标准，可以提供包括建筑物、道路交通、绿地水体、桥梁隧道等城市基础设施架构，同时通过应用领域扩展实现对能源消耗数据的支持。目前主要采用Energy ADE与UtilityNetwork ADE。

Energy ADE由国际化的城市能源模拟开发者与用户在2014年5月发起，旨在扩展CityGML2.0，支持标准化存储交换能源相关的指标与属性。该扩展主要针对建筑物的物理特性与系统，同时可以支持多节点互联互通，从而实现城市级别模拟数据的存储。Energy ADE主要包括热力数据模块、建筑与材料模块、建筑物物理特性模块、能源占用模块、能源系统模块5个主要部分。

UtilityNetwork ADE则定义了一个一个拓扑网络模型，以支持对公用事业网络以及能源提供基础设施的分析与模拟。该ADE包括一个核心模块以及一系列扩展模块构成，如网络组建、网络设施和产品、中空空间、特殊材料等。核心模块主要定义了基础设施网络建模相关的类与概念，实现了将三维公共事业网络嵌入并关联到三维城市环境中。在此基础上，网络组件定义了传输、设备、功能、终端、保护等多种组件。网络设施和产品则定义了水、液化气、电力，以及太阳能等类型，用于描述公共事业网络中的传输介质。

通过基于CityGML及其扩展ADE的支持，可以对城市能源及其相关设施进行标准化描述，这对于提高后续模拟系统的可用性具有重要意义。

2.2 能源消耗模拟

基本参数获取。城市能源消耗基础数据是以CityGML及其扩展形式存储的，该方式支持文件与数据库以及网络服务等多种存储获取方式。然而要将这些基础数据作为能源消耗模拟软件的输入，需要进行数据提取与转换。这些参数在模拟过程中是不变的，预先存储于文件或数据库中，根据实际模拟需求进行获取。

输入变量。对于每个能源消耗模型，需要设定一个时变的输入，以反映环境状况，如居住状况，当地气候，能源价格等。这些变量数据是由能源模拟环境根据用户设定或通过其他接口获取的，通过对输入数据的调整，可以实现多种方案模拟结果在不同环境下的比较。

模拟功能。对于能源消耗模拟软件而言，其中的模型可以支持多种功能，用于对预设定参数和输入变量进行不同粒度的分析，其速度、准确度、复杂度各有区别，因此在模拟之初需要预先选定合适的供模拟功能，从而快速获取可用结果。此外在有些情况下，还需要对某些复杂分析功能采用简化和替代算法，从而能够支持快速的用户结果反馈。因此模拟功能是系统分析的一个核心部分，不同的实现会产生不同的结果，需要根据实际需求进行合理配置。

结果输出。模拟的结果输出是时序数据，该数据可以在集成模拟环境中的模拟器之间进行交换，即一个模型的输出可以作为另一个模型的输入。如果有必要，模型输出结果也可以直接进行数据分析或通过可视化方式展示给终端用户。

准确度调整。准确度分析包括：模拟过程的细节层次、线性/迭代模拟、时间跨度、输出的错误阈值等。通过准确度调整，可以控制模拟过程的精度、速度与范围，从而支持多种应用环境。此外，对于每个模型，需要与其他类似模型的结果进行交叉验证，从而确定模型的准确度与实验精度。

2.3 在线可视化

能源消耗分析结果三维可视化方面，目前并没有一个统一的方案，考虑到分析结果的多样性与用户需求的可变性，项目组提出一种基于视觉变量映射的能源消耗分析在线可视化方法，如图1所示。

该方法主要包括以下3个方面。

图1 基于视觉变量映射的能源消耗可视化Fig.1 Energy consumption visualization based on visual variables

1）针对城市三维模型，基于三维视觉变量原理，自动或手动提取该模型的几何、纹理与分布视觉变量；其中，几何视觉变量包括了位置、朝向、高度、透明度等视觉变量要素；纹理视觉变量包括纹理、颜色、亮度、阴影等视觉变量要素；分布则涉及密度、位置、朝向等要素。该视觉变量体系不是固定的，根据不同的能源消耗分析应用需求，视觉变量体系的内容需要做相应的扩充。

2）适应能源消耗可视化的城市三维模型视觉变量参数化重建。基于能源消耗显示策略与三维模型视觉变量耦合机理，构建视觉变量要素及其相应的细节层次的自动选择、简化、增强与融合机制，从而实现基于视觉变量参数渲染的城市三维模型非仿真可视化与自动综合。通过将能源消耗分析结果映射到三维城市模型视觉变量中，实现能源分析结果的可视化。如可以用颜色、面积或高度来表示建筑物的能耗指标，通过对不同视觉变量可视化结果的比较，实现展示结果优化。

3）基于Cesium的参数化城市三维模型快速可视化原型与用户评价系统。基于Cesium实现能源分析结果在线可视化，并以此平台开展用户反馈调查研究，结合认知学理论，深入分析能源消耗模拟的三维可视化结果对时空行为的适应性，并实际检验所提的可视化方法的有效性。

3 实验结果

目前项目已经展开全面研究，获取了初步的成果，搭建了基于Cesium的数据可视化平台。以下是部分实验结果。项目的实验区域如图2所示。该区域是瑞典一个先进的城市开发项目，整体建设始于2000年，整个工程将于2020年完工，届时将容纳25000居民。该项目由于其在可持续发展规划与实践方面的创新，赢得了全世界的瞩目。整个区域按照整体设计，住房只是其中的一个部分。项目综合集成了供热、交通、废物回收多个系统，从而降低了整个区域的能源消耗与长期维护成本。

图2 实验区域：瑞典斯德哥尔摩哈默比新区Fig.2 Test area: Hammarby Stockholm Sweden

目前项目已经集成了哈默比新区的电力、热力、交通、建筑物等相关信息，并按照论文所提出的模式实现了多源数据的可视化。目前系统支持geojson、gltf等格式的矢量数据，同时也可以提供wmts格式的栅格数据集成可视化。图3给出一个初步的集成可视化结果。

图3 基于Cesium的能源数据集成可视化Fig.3 Integrated visualization of energy datasets using Cesium

4 结束语

三维城市模型作为城市基础信息的重要组成部分已经不仅局限于对城市形象的展示，目前越来越多的模拟分析需要建立在三维城市模型之上。本文就欧盟在城市能源消耗模拟应用中如何使用三维城市模型这一研究课题进行了基本的介绍，并给出了相关的系统需求，设计方案与体系架构。初步的研究成果显示，CityGML作为目前最为广泛使用的城市级别三维模型标准，其可扩展性对于行业应用具有较好的支持，同时采用Cesium作为可视化平台，能够大幅降低开发难度提高应用的可获得性。目前相关研究还在持续进行中，可以说比较能够代表欧洲在三维城市领域的探索方向，对国内相关研究也具有一定的借鉴意义。

致谢

本文得到国家自然基金(41671457)，江苏省高校自然科学研究重大项目 16KJA170003，江苏省自然科学基金（BK20151551）江苏省高校优秀中青年教师和校长境外研修计划以及江苏高校优势学科建设工程项目资助。