建筑设备数字孪生体的图形化建模方法

李苏亮，杨启亮

（陆军工程大学 国防工程学院，江苏 南京 210007）

建筑运维是建筑生命周期中时间跨度最长，也是最为复杂的一个阶段[1]。这一阶段的主要目标是维持各类机电设备，以及给排水、照明、通风、采暖等环境系统的正常运转，以确保为生产生活提供安全、舒适、便利的内部环境[2]。因此，对处于运维阶段的建筑设备来说，一个正常、稳定、可控的工作状态是最理想的。除此之外，发生故障时要准确定位。为了提前预知故障风险所进行的检修以及在绿色建筑理念背景下对设备节能所做的动态优化，都是这一阶段中十分必要且重要的运维活动[3]。而随着建筑设备功能的不断增加，自动化的水平不断提升[4]，尤其是数据采集能力的不断增强[5]，建筑运维面对的数据在深度和广度上也越来越丰富。一方面，许多人工不便测量的点位由于传感器的预置可以提供更加详细的工况数据；另一方面，传感器种类的增加使测得的数据涉及更多的物理场。大量运维数据为运维人员准确判断、掌握设备运行情况提供了充足的数据支持，但同时在信息提取、综合和分析等方面也因为数据量大、复杂度高而向传统运维模式提出了挑战。

建筑信息建模（Building Information Modeling，BIM）在建筑行业得到了广泛应用[6]，基于BIM的智能运维成为应对传统运维挑战的可行办法[7]。BIM为建筑数据的组织、计算和呈现提供了技术手段，基于BIM的智能运维也在一定程度上提高了BIM模型的动态性与智能性。但BIM模型仍然处于一种等待接受建筑物理实体传入数据及被动反映和被动反馈的状态，人工手段在数据分析管理中依然大量存在，还未建立起信息世界模型与物理世界实体之间实时动态交互，尤其是信息世界模型主动反馈物理实体，借助计算能力提高物理实体表现的反向信息流。

因此，有学者提出借鉴制造领域数字孪生（Digital Twin，DT）技术理念，解决现有建筑模型难以反映建筑物理实体动态运行机理，信息域与物理域交互不足的问题[8]。数字孪生旨在通过精准映射物理实体，在信息世界构建相应的虚拟实体，反映物理实体的静态属性与动态规律，并集成智能应用辅助生产实践。这一技术的先进性已在诸如航空航天[9]、车间生产[10]、机床控制[11]和工艺提升[12]等方面得到了验证。

建筑领域虽然对数字孪生的研究起步较晚，但同样取得了一些有益成果。宏观层面，数字孪生聚焦城市的透明化管理，通过信息获取、分析和存储，实现决策支持，并以此支持相关信息产业的赋能与发展，如新加坡政府启动的“数字孪生新加坡”计划、英国布里斯托的数字孪生城市架构方法以及中国雄安新区的数字孪生城市模型框架等[13]。在建筑层面，Lu等人认为，数字孪生在促进高效运维方面具有巨大潜力，并提出了一个5层系统架构，用于集成异构数据，构造建筑级的动态数字孪生模型，从而实现智能管理，增强建筑与运维人员的交互[14]。Angjeliu等人开发了一种用于创建砖石建筑数字孪生模型的方法，以便进行详细的结构分析。建筑物真实的几何形状、材料特性和内部结构都被高精度数字化，并借助非线性有限元模型，实现结构响应评估、维修行为模拟和机械损伤预测等[15]。Lu等人提出了一种基于数字孪生的建筑异常检测方法。以扩展后的工业基础类（Industry Foundation Class，IFC）为数据组织结构，实现数据集成和操作。并集成贝叶斯算法预测建筑负载动态变化，有效提高了建筑运维实时监测的效率和自动化程度[16]。

上述研究从特定建筑出发，围绕目标问题构建专门的数字孪生体，虽然有效解决了研究问题，但对于如何构建建筑数字孪生，尤其是通用数字孪生模型的描述方法并未提出有效的方法论。模型之间缺少互通性、一致性，已经实现的数字孪生体只能应用于特定场景，难以高效率复用。

因此，本研究聚焦建筑设备这一运维活动中的重要主体[17]，借鉴模型驱动工程（Model-Driven Engineering，MDE）思想，从模型设计出发，探索面向建筑设备数字孪生的图形化建模方法，将领域特征和数字孪生特点融入模型元素，充分体现数字孪生模型的动态性、交互性和智能性，本研究的工作与贡献主要包括以下2点：

（1）建筑设备数字孪生模型元素定义。从信息映射、物理机理模拟、动态交互3个角度提炼模型的组成元素和相互关系，提高了建筑设备数字孪生模型描述的规范性和统一性。（2）开发建筑设备数字孪生图形化建模工具。以图形作为模型的呈现载体，并封装在软件实体中，为数字孪生建模提供工具支撑，提高了模型构建效率，并使模型表现更加直观。

1 数字孪生模型元素定义

建筑设备数字孪生体是物理设备在信息空间的高保真模型，既要实现对真实信息的充分映射，也要能够与物理设备形成互动模式，从而体现数字模型的计算优势，为设备运维提供协助。

因此，本研究从信息映射、物理机理模拟和动态交互3个角度，分别提取建筑设备数字孪生模型的组成元素，如图1所示。

图1 建筑设备数字孪生模型元素

1.1 信息映射元素

建筑设备数字孪生体所映射的信息主要包括设备的基本属性和历史数据，因此定义BFDTRecorder作为各类数据的存储与管理实体，为数字孪生体提供底层数据支撑，并且由于数字孪生体与物理实体在视觉呈现上具有高度的一致性。定义BFDTVisualizer作为图像渲染实体负责实现物理实体在信息世界的视觉镜像。

1.2 物理机理模拟元素

任何物理过程的发生都基于特定的前提条件，即使是同一个物理过程，在不同的现实条件下所表现出的特征规律也不尽相同。因此，在模拟物理过程机理时，需要明确发生条件，定义BFDTCondition作为条件声明实体。

建筑设备的物理特性随着时间发展会产生变化，因此数字孪生体中的物理机理模拟也应当与设备实体保持同步演化，定义BFDTEvolver表示具备这种演化特性的模型元素，表明数字孪生体对建筑设备物理机理的动态拟合。

1.3 动态交互元素

基于经典控制理论[18]，完整的反馈控制闭环包括感知、控制和执行等过程，因此分别定义BFDTSensor、BFDTController和BFDTActuator来实现动态交互。BFDTSensor作为虚拟感知器与物理传感器对应绑定，作为建筑设备数字孪生体获取设备实时运行数据的入口；BFDTController封装相关智能算法，利用BFDTSensor感知的运行数据计算最优控制策略；BFDTActuator作为虚拟执行器，将BFDTController生成的控制策略转换为可被物理设备识别的控制指令，传递给相应的执行部件，从而完成数字孪生体对物理实体的反馈控制。为了最大化数字孪生体与物理实体的同步一致，定义BFDTAnimation负责物理部件的执行动作在信息世界中的渲染呈现。

2 建筑设备数字孪生图形化建模工具开发

基于建筑设备数字孪生模型元素的定义，就可以进行建筑设备数字孪生建模，为了使建模过程更加高效，模型更加直观，还需要对模型中的元素进行良好的图形设计，以得到图形化建模工具中的图元。

2.1 图元设计原则

用简单直观的图元表达建筑设备数字孪生建模元素，能够让建模人员在使用过程中提高建模效率，降低建模前期的学习准备成本[19]。而由于图形具有直观简洁、含义丰富等特点，表征明确，规则清晰，组织结构合理的图形化模型文件，将使模型的使用者与共享者能够高效地获取模型信息，实现通过模型认知物理对象的目的。因此，在定义和扩展图元时，应当遵循以下几个原则。

2.1.1 形状、颜色区分

对同一类型的图元应当使用相似的形状或相似的颜色，使建模人员与模型使用者能够通过这一外部明显特征判断关联度高的模型元素，方便对同类模型元素的统一组织与管理。

2.1.2 重要信息突出

图元在模型画布中所占的区域有限，因此需要筛选每个图元中用户最关注、最具有代表意义的信息呈现在画布中，图元的其他详细信息可通过点击打开详细视图，悬停弹出浮窗等方式做进一步展示。

2.1.3 图标联想度高

图元中的图标是除形状、颜色之外另一类表征图元所代表建模元素信息的视觉元素，由于图标具有拟像性，可以帮助建模人员和模型使用者更准确快速地理解图元代表的模型元素。

2.1.4 视觉元素简洁

建筑设备数字孪生模型往往涉及多个维度，多个物理场，模型元素的数量、种类相较于一般领域模型更为多样与复杂。如果不加限制地使用视觉元素（形状、颜色和图标等）来区分不同的图元，会造成模型信息的关注点因为视觉元素过多而受到干扰。因此，在设计图元时，需要保证在同一画布中呈现的图元使用的视觉元素尽可能节约简洁。

2.2 图元定义与说明

基于2.1中阐述的图元设计原则，本研究中所定义图元以方框加对应图标组成，在图元周围标示图元实例名称，具体说明见表1。

表1 建筑设备数字孪生模型图元定义

表1中除了为之前提出的8类元素设计了图元样式，也为图元之间的连接分别设计了BFDTBindingPipe和BFDTTransmittingPipe，用来分别表示图元之间的逻辑组成关系和数据传递关系。

2.3 建模工具实现

Ecore是Eclipse Modeling Framework（EMF）中基础性的元模型，是对MOF中核心部分的参考实现。Ecore可以描述自身，基于Ecore也可以定义其他的模型，使用Ecore作为基础元模型允许建模者利用整个EMF生态系统和工具。并且，由于EMF支持在Java、UML和XML等多种形式的注解文件之间相互转换[20]，使用EMF建立的建筑设备数字孪生模型在模型表述方面可以有更多的选择与灵活性。在此基础上，Eclipse也开发了Graphical Modeling Framework（GMF）来支持模型驱动的领域化的图形编辑器开发，GMF是EMF的图形化编辑器，它提供了一种高度可定制的方式来呈现模型元素[21]，因此本文使用GMF作为建筑设备数字孪生图形化建模工具的开发框架。在Eclipse产品系列中，OBEO Designer被用来以图形方式定义领域模型，其中集成了对EMF的支持整合，帮助用户创建针对特定领域的图形建模工作台。

在OBEO Designer中构建2.2节中的模型元素，OBEO Designer自动依据模型元素创建图形化建模工具的开发环境，运行工具开发环境工程后，进入图形化建模工具的自定义界面，如图2所示，界面分为5个主要区域：①是OBEO Designer软件自身的使用工具栏；②是建筑设备数字孪生图形化建模工具自定义工程的文件树；③是④的大纲视图；④是自定义图形化建模工具的主要区域，在后缀名为.odesign的文件中，逐个定义画布中图元的样式、属性，与模型中的元素形成对应，再定义菜单栏中创建图元的工具所对应的标志；⑤是选中节点的属性区域，④中当前选中节点的详细信息以及OBEO Designer所支持的对其属性的修改定义都在这里填写。

图2 BFDT图形化建模工具自定义界面

在.odesign文件中对建筑设备数字孪生图形化建模工具进行定义后，就可以通过运行这些设置得到建筑设备数字孪生图形化建模工具，该工具主要包括3个部分，如图3所示：①是工具的画板部分，用来放置呈现图形化模型；②是工具栏，负责提供对建模图元的选择；③是属性定义区，点击选中①中的图元后，在③中具体显示该图元的详细信息，并可以通过提供的输入框对信息进行修改，最终将模型中的所有信息呈现在这些图元与连接关系中。

图3 建筑设备数字孪生图形化建模工具界面

3 数字孪生冷机模型构建

随着人们对居住环境适宜性要求的不断提高，空调已经成为现代建筑设备中不可或缺的一部分，空调的普及在满足人们生产生活需要的同时，其能耗与维护保养问题也日益凸显，成为建筑领域研究的热门问题。本文以空调系统中耗能占比超过40%[22]的冷机为研究对象，探讨建筑设备数字孪生的模型构建。

使用建筑设备数字孪生图形化开发工具构建冷机数字孪生模型，其中以“冷冻水出口温度调节”过程为控制目标，具体如图4所示。

图4 使用建模工具表示冷冻水出口温度调整过程

虚拟感知器从其对应的物理传感器获取冷机运行真实值，并传递给冷冻水出口温度控制器，控制器判断冷机是否运行在较优区间，如果需要调整冷机运行参数，则通过智能算法计算新的冷机运行设置值，并借助当前工况条件下对冷机性能系数（Coefficient of Performance，COP）的计算模拟，验证新的运行参数对提高冷机COP是否有效，无效则重复计算直到满足优化效果，有效则将新的运行设置值传递给设置冷冻水出口温度的虚拟执行器，由虚拟执行器驱动物理执行机构进行实际调节。

图4的模型中还定义了BIM模型存储器和BIM模型渲染引擎用于呈现冷机三维模型，对动态的冷机运行数据则通过数字孪生冷机数值的动画器显示。

4 结束语

随着数字孪生逐步成为建筑领域信息化变革的重要使能技术，关于其理论与实践方法的探索也在不断深入。本研究基于模型驱动工程设计思想，探索研究将建筑设备数字孪生从概念框架转化为规范、标准的图形化模型的有效方法。通过分析领域特性，提取建筑设备数字孪生模型组成元素，实现了模型的统一描述，并进一步定义元素的图形化表现形式，从而实现建筑设备数字孪生图形化建模和相应支撑工具的开发。最后，以某冷水机组的数字孪生模型为例，验证了图形化建模方法的有效性。

下一步还将继续研究基于模型驱动的数字孪生软件实体开发，将建筑设备数字孪生的技术方法推向生产运用，以此证明数字孪生技术在建筑智能运维中的广阔应用前景，为建筑智能化研究提供有益参考。