基于BIM的3D可视化智能管控平台的研究和应用

刘宝华



基于BIM的3D可视化智能管控平台的研究和应用

刘宝华

（连云港杰瑞深软科技有限公司，江苏 连云港 222006）

目前，对建筑物的集中管控已经成为当前智能建筑的大趋势，尤其在大型安防工程、物联网、能源管控项目中，要实现数字化、集成化显得尤其重要。然而，现阶段多数智能建筑的信息管理都独立存在，形成一个个信息孤岛，难以发挥各系统应有的潜在能力，无法对决策者提供强有力的辅助支撑，因此随着监控大联网时代的到来，平台级的互联互通，开放、融合、可视的监控平台软件成为发展的必然。

BIM；可视化；CMM3；数据库

0 引言

随着智能建筑系统的复杂化，管理者对能源、安防、运维的要求不断提高，希望在同一个平台解决绝大多数问题，另外在显示效果方面要求直观、身历其境。因此，报警、环境监测、门禁、GIS、智能识别等传统独立型安防、能源运维软件功能欠缺，根本无法做到面面俱到，无论信息点和控制点都无法建立联动关系，难以实现跨系统的控制流程、事件综合处理，空调系统、电梯系统、照明系统等传统上各系统自成体系工作，由于数据结构、通讯格式的不同，集成系统无法采集所需的资料，另外普通集成系统还局限于传统的数据界面，缺少基于BIM的3D可视化，界面不够生动直观。而随着监

控大联网时代的到来，平台级的互联互通，开放、融合、可视的监控平台软件成为发展的必然。

1 基本BIM的可视化平台引用

1.1 BIM可视化平台的概念

BIM（Building Information Modeling，建筑信息化模型）是一个建筑物模型和数据信息的完美结合体。在设计和施工阶段，通过BIM建模不仅仅为设计者提供了平面图纸无法实现的逼真模型，还提供了大量的信息的存储。同时，还为开发商在前期提供了直观的视觉感受，并为建筑方案的选型提供数据支撑，因此BIM的应用在国内取得了长足的发展。在建筑物的监测和后期的运维中，BIM的应用也越来越广泛，尤其在3D可视化软件的开发中，BIM模型为三维显示提供的良好的模型基础，同时为运维管理提了大量数据信息，如建材、厂家、价格、能耗、状态等，这些数据可以为决策者提供目标导向，从而改善整个建筑物的管理和运营水平。

3D可视化智能管控平台集数据采集、数据整合、数据分发、设备监测与控制、数据显示于一体，是整个园区或建筑物管控的核心。首先利用分布式网、开放式的系统接口，将安防、供配电、照明、停车、电梯、给排水等系统和设备参数采集到服务端，在根据订阅分发将各系统的监视、控制、管理功能集成到一个综合信息管理软件，建立起互联互通、开放、融合的管控平台。再通过BIM建立起整个建筑物甚至是整个园区的模型，最后利用三维引擎驱动BIM模型，建立起3D可视化的智能、集中管控平台。这样不仅仅能保持各子系统的相对独立性，更能给管理者提供一个统一的用户界面、三维的视觉冲击、集中的管理方式，最终实现综合信息的高度集中和共享，为用户对建筑物和园区的监控、运营提供有力的管理手段。

1.2 基于BIM的3D可视化平台的应用

基于BIM的3D可视化智能管控系统总体目标就是建立一个信息共享、集中管控、BIM动态建模、三维驱动的管控平台，同时提供开放接口、为后期运维提供扩充性。也就是通过系统实现建筑物内空间设备、子系统、能源消耗等信息资源的采集，并利用采集的信息经过相关的智能算法对各种数据进行挖掘、筛选、整理和优化，达到对各子系统和设备的监视和控制，并在子系统之间实现数据的共享和突发事件的联动，为建筑物的各级管理者合理管理提供决策支持，另外考虑到合理的投入及未来需求的扩充，该系统可以经过相应的改变延伸到智慧园区、智慧船舶等领域。

2 关键技术

2.1 集中监控管理技术

基于BIM的3D可视化智能管控平台的集成服务，由业务基础平台和实现业务逻辑的业务组件组成。其中业务基础平台脱离管理业务，与具体的智能管控业务无关，只为业务间向导和驱动提供支撑。业务构件是实现业务逻辑的基本单元，提供原子级的业务应用服务，可以由平台中的流程服务管理（BPM），将各种服务编排成满足各种业务需要的业务应用。业务基础平台以微内核为核心，构建了基础组件库、元数据资源库、业务构件服务、流程控制服务、界面展示组件服务等通用服务组件，并且提供了集成的开发和维护环境。

3D可视化智能管控平台集数据采集、数据整合、数据分发、设备监测与控制、数据显示于一体，是整个园区或建筑物管控的核心。首先利用分布式网、开放式的系统接口，将安防、供配电、照明、停车、电梯、给排水等系统和设备参数采集到服务端，再经过相应算法对数据进行整理、统计、分析，将最终信息发布到总线，最后根据应用系统订阅的信息类型获取数据。系统集中监控的主要目标是达到数据集成、流程集成和界面集成。其中数据集成主要通过微内核和元数据建立统一的数据库设计和标准的数据接口，使数据在各子系统内部和子系统之间进行无缝对接；流程集成主要通过流程服务管理（BPM），实现的轻量级业务流程引擎，在自定义流程时支持顺序、分支、人工选择等模式，实现子系统间的流程跳转；界面集成通过界面服务和基础组件库来实现各子系统的界面集成，使平台界面统一、操作便捷。

2.2 全局事件和预警管理技术

系统利用通用视图组件技术进行人机接口设计，为客户端软件提供人机界面及其图元的设计和编辑，通过组件开发技术逐步扩展通用视图组件工具，再通过配置界面实现相应的页面，并生成XML文件，由客户端软件进行解析，除了实现良好的UI设计外，图元再与服务端的变量进行关联，图元组件可以绑定相应变量和事件，并订阅相关信息，当设备参数发生超过阈值的变化时，图元关联的动画和事件将被触发，对服务端数据的变化做出响应，包括联动事件、报警事件等，每个事件定义唯一的事件标识，虽然单个事件处理过程是独立运行的，但每个事件处理过程都需要一个触发条件，当需要系统联动的突发事件发生时，可以通过全局事件将各子系统私有事件进行关联，并根据预先设置好的触发方式和顺序，逐个触发相应子系统事件，这样达到对区域内的各类事件有效的全局管理，从而达到跨系统事件的联动以及各系统之间的协调与合作，提高系统对突发事件的处理能力和系统智能化水平，减少由于人工操作失误带来了危害和损失。

此外，该平台具有设备的调度功能，可以对某些设备的启停时间、流量大小等参数进行自动设定，主要考虑设备的负责均衡、运转最佳效率、节能环保等因素，通过历史经验对某些设备设定相应策略，如对建筑物照明系统，根据上班、下班、节假日设定节能策略、最佳启／停时间控制策略等，自动控制照明系统开启和关闭的时间、数量等，以达到在满足用户使用要求的前提下实现节能环保的目的。

2.3 3D可视化技术

系统3D可视化技术以BIM建模为基础，通过三维引擎驱动BIM模型，从而建立一个建筑物的虚拟空间，在这个虚拟空间中，将各个子系统、各个设备、各条线路按实际位置映射到建筑物3D视图模型中，并以第一视角对智能设备进行监测、控制和管理，给人一种身临其境的感觉。另外，实现突发事件时的二三维联动，在发生报警事件后平台收到报警信息，在二维列表信息以及3D可视化页面中会提供不同方式的报警信息，当消警后，3D可视化中的模型需要接收相应信息，对模型中的对象状态进行修改。

由于该系统平台采用的BIM建模工具为Atuo­Desk Revit，使建立的模型内容更加丰富，处理包括模型文件外，还存储更多的运维信息，另外也可以考虑时间因素来推动模型的四维发展，但要使模型文件与系统相结合达到3D可视化效果，还需要做更多的工作，其中最简单的办法就是通过Navis­works二次开发，利用Autodesk.Navisworks.Api实现3D模型中对象选择、缩放、平移、动态视察、定位、漫游、度量、隐藏等功能，也可以实现漫游功能，在漫游模式中，可以模拟人行走的穿行路线，由表及里，由外而内，漫游建筑模型各个角落，实现对各个设备的操控，产生身临其境的感觉。

2.4 BIM模型多维存储与优化

BIM的设计理念在于数据的组织方式，而不仅仅是传统模型的三维概念。在BIM建模过程中，将大量的数据信息存储于模型文件中，而这些数据信息的组织方式将直接影响模型的应用，因此要对这些数据进行多维存储和优化处理，从而达到项目或设施的信息共享，为3D可视化软件提供模型和数据支撑。因此，BIM模型的信息化手段能够在智能管控平台的全生命周期过程为管理者在运营中提供丰富、详尽的决策依据，从而提升智能监测与控制的管理水平。

在该项目BIM建模过程中，通过基于“族”进行参数化建模，将将建筑物内的设备型号、所属系统、位置信息、生产厂商、采购价格、使用年限、出厂信息、责任人等关键信息录入到BIM三维模型中，方便管理人员快速及时的找到所需的具体位置，为系统平台后续的节能管理和运维管理提供强基础数据，但这种数据的存储只能以静态存储为主，尤其在运行过程中实时状态的反应数据，无法反馈到模型中，难以面面俱到，因此需要对数据的组织和资源进行整合，实施多维存储与优化，在每次设备变化或状态改变时，将实施动态数据存储到数据库中，这些存储叫做设备动态信息库，包括通过历史数据对设备运行状态的预测、预警信息等，为了达到数据的多维存储和优化，要考虑两个方面的问题：一是对数据的分类存储，区分哪些数据是静态数据，哪些数据是动态数据；二是要建立数据映射关系，即模型中数据文件与数据库中的数据信息相关联，确保当状态变化时，能够获取或改变模型动态属性；三是优化存储，提高数据利用效率，主要建立增项信息表来实现，当模型中的设备ID映射的动态数据改变时，在增项信息表中建立相关索引关系。

3 基于BIM的3D可视化平台的实现

智能管控平台软件主要分为服务端软件JARI­Server、视图设计软件JARIDesig和客户端软件JARIClient三大部分，另外提炼出公共的系统功能模块或者单元，并以DLL库文件的形式单独开发，提高软件系统的模块化设计水平，这样既有利于程序编写又有利于版本管理。组态软件系统通过主程序框架对DLL库的调用，实现了程序模块的结构设计，有利于程序的管理和扩展，及版本管理。其中，服务端软件可与各子系统的设备进行通讯，可对实时数据进行管理，并向客户端软件提供实时数据服务，JARIDesig视图设计软件被用户编辑组态后，可存储成一个工程文件，该工程文件可被JARIDesig组态设计软件再次打开和编辑，而JARIClient客户端软件通过加载组态开发环境存储的工程视图文件，向服务端请求实时数据，完成集成监控。当有数据存储时，服务端可将数据存储到历史数据库，客户端软件可对其进行历史数据的查询及分析处理。

3.1 应用框架设计

基于BIM的3D可视化智能管控平台中涵盖了相关的标准规范体系、信息安全体系、运行维护体系，以及基础层、数据层、支撑层、应用层等方面的建设内容。基础设施层包括变配电、给排水、暖通空调、电梯、照明等，通过数据层的数据采集、清洗、转换和加载，生成系统运行所需的基础支撑数据、设备运行数据、业务数据和运维数据，并存储到相应的数据库，支撑层提供数据交互共享、应用支撑中间件、订阅分发和业务协同服务，为系统提供界面、数据和流程的集成，最后通过前台应用层显示各系统运行状况、集中控制、视频监控、报警、3D可视化、能耗管理、运维管理等功能。其中总体框架如图1所示：

图1 基于BIM的3D可视化平台的应用框架

3.2 BIM建模

模型需要存储的信息主要依托于模型的应用方式、软件功能需求、数据库设计等因素，当确认数据的详细信息后，以信息化、数字化为依托，将这些数据在建模过程中进行多维存储，从而指导各阶段的相应工作。

智能管控平台主要通过AutoDesk Revit软件进行BIM模型的建立，并在建筑物模型内部仿真模拟出所有智能设备的真实信息，包括位置、状态等，具有可视化，协调性，模拟性。再通过AutoDesk Navisworks导出Nwd格式，导入到智能管控平台，基于Navisworks驱动实现3D可视化效果。

3.3 服务端软件

服务端软件核心内容是对智能化设备数据采集、数据处理、数据记录，由于智能化设备的各自差异性，必须设计一个共性的数据模型。为此软件设计了通道、控制器、变量三个关键类用于建立智能化设备统一对象模型。对设备采集的参数可以与具体变量进行关联，当设备在运行时，智能管控平台需要显示设备的不同状态，有的情况还会做出相应的反馈，包括连锁事件和报警灯，从而达到系统的智能化。变量可以通过控制器实现对智能设备的控制以及数据的反馈，通过设置事件和报警的条件，当变量达到设定的阀值时，就会触发相应的事件或者报警，其中包括变量描述、触发事件、连锁动作、连锁视频、发送短信等内容。

3.4 客户端软件

根据最终用户体验效果，将客户端软件设计为两部分，一部分是二维展现和操控，另外一部为三维展示和操控，考虑操作的便捷，主要操控在二维界面中，三维以展现和联动为主。基于BIM的3D可视化并非孤立显示，而是与平台各子系统数据实时交互，并根据报警以及自定义事件进行联动，但平台收到报警信息后，在二维列表信息以及3D可视化页面中会提供不同方式的报警信息。在二维界面设计中，每个设备都需要建立唯一的标识，作为属性和事件的响应对象，但由于3D模型文件时通过Revit、Navisworks生成，其中模型文件中的唯一标识ID是软件自动生成，在后续过程中不能手动修改，所以必须要建立一张二三维对象的映射表，从而实现二三维之间的联动。

3.5 通用视图设计软件

通用视图设计软件为用户UI设计提供视图开发手段，并在完成视图设计的同时，建立数据的通讯通道，为客户端组件与服务端变量进行关联，主要提供用户画面、图元组件、事件设置、联动设置等功能，从而简化客户端软件的开发。该软件核心内容是采用.NET2.0引入的DesignSurface类，实现了一个类似于VS2008的自定义设计器，在该设计器中，以插件的形式提供基本控件、工业控件、高级控件和常用图形等组件，这些分类可以在应用过程中逐步丰富，通过这些积累的控件，提供页面的整体设计。

4 结论

基于BIM的3D可视化智能管控系统总体目标就是建立一个信息共享、集中管控、BIM动态建模、三维驱动的管控平台，同时提供开放接口、为后期运维提供扩充性。也就是通过系统实现建筑物内空间设备、子系统、能源消耗等信息资源的采集，并利用采集的信息经过相关的智能算法对各种数据进行挖掘、筛选、整理和优化，达到对各子系统和设备的监视和控制，另外考虑到合理的投入及未来需求的扩充，该系统可以经过相应的改变延伸到智慧园区、智慧船舶等领域。

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Research and Application of 3D Intelligent Management and Control Platform Based on BIM

LIU Bao-hua

(Lian Yun Gang Jari Deep Soft Ltd, Lian Yun Gang Jiang Su 222006, China)

At present, the centralized control of buildings has become the current trend of intelligent buildings, especially in large-scale security projects, Internet of things, energy control projects, to achieve digital and integrated is particularly important. However, the information management at this stage the majority of intelligent buildings are independent, forming islands of information, it is difficult to play the potential ability of the system should provide strong support to assist, policymakers, so with the advent of the era of network monitoring, interoperability platform, open integration, visual monitoring platform software become inevitable.

BIM; Visualization; CMM3; Data base

TP39

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.08.016

刘宝华(1980-)，男，南京理工大学软件工程硕士，高级工程师，高级项目经理，主要研究方向军民融合、软件工程等方向。

本文著录格式：刘宝华. 基于BIM的3D可视化智能管控平台的研究和应用[J]. 软件，2018，39（8）：74-77