基于数字孪生的智慧建筑系统集成研究

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

摘要：智慧建筑系统集成是建筑领域发展中的一个重要方向，虽然在当前的建筑领域中，已有很多先进技术得以应用，但是在智慧建筑系统集成方面，仍然面临一定的困难。对此，利用数字孪生理论，提出工程全生命周期系统集成模式，形成智慧建筑数字孪生系统集成方法。以组态软件平台为基础，促进數字孪生建筑集成系统的开发与实现，实现更好的共享化转变。基于数字孪生的智慧建筑系统集成，极大地提高了建筑智能化程度，推动了社会的发展进步。

关键词：数字孪生  智慧建筑  系统集成  建筑智能化

中图分类号：TU17   文献标识码：A   文章编号：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

数字孪生是一种比较先进的超越现实的概念，它可以充分利用运行历史、传感器更新、物理模型等数据，集成多概率、多物理量、多尺度、多学科的仿真过程。映射可以在虚拟空间中完成，进而反映出相应物理设备的整个生命周期过程。作为一种具有普遍适应性的理论技术体系，数字孪生在很多领域中都能得到较好的应用，如工程建设、产品制造、医学分析、产品设计等。其中，在工程建设领域中具有最为广泛的应用，体现在智慧建筑系统集成方面。

1智慧建筑系统集成的内涵现状

系统集成是一种新兴服务方式，在国际信息服务领域中，发展速度十分迅猛。从本质上来说，系统集成是最优的综合整体设计。在Internet领域，系统集成主要是基于客户的业务需求，对应用软件、工具软件、操作系统、网络设备、硬件平台等进行集成，使其信息功能相互关联。近年来，在智慧城市大力建设的背景下，系统集成在智能建筑领域也开始得到应用，极大地提高了智能化工程水平。根据智能建筑设计标准，系统集成是将智能建筑中功能不同的智能化子系统，实现功能、逻辑、物理角度的连接，进而达到资源共享和信息综合的目的。而智能建筑系统集成可分为两个方面理解，从广义上来说，系统集成主要是基于建筑物全面集成服务、运用、水暖电等内容。从狭义上来说，系统集成主要是弱电系统集成，处于BMS层次。而从本质上看，BMS系统集成主要是在各个集成子系统之间，实现信息交换，执行统一化的控制监管。

在智能建筑系统集成的发展中，最初的目的是解决系统信息孤立的问题。在一个智能建筑系统中，有很多方面，相关子系统多达数十个，如公共广播、门禁系统、消防报警系统、安防系统、楼宇自控系统等。在智能规划初期，各个系统设计中都应用了独立的控制软件、系统设备、技术线路，因而在不同系统、软硬件、系统运行管理之间，均为相互分割的状态，形成信息孤岛，造成了资源浪费，不符合集中管理和综合监控的需求。因此，智能建筑集成化管理系统的应用，提供了统一的软件平台，利用系统平台将不同设备、不同接口、不同平台、不同需求、不同技术、不同功能、不同厂家的设备系统进行统一互联，实现协同运行，实现集成化管理的标准，使建筑信息化、智能化程度得到了进一步的提升。

2智慧建筑系统集成的特点分析

在智慧建筑集成化系统中，异构子系统具有明显的异构特点。在硬件平台方面，包括广域网、局域网、工业控制网、现场总线，相关设备则包括个人计算机、工作站、工控机、各种类型的计算机等。在操作系统上，主要有Linux、OS/2、UNIX、DOS，以及各种版本的Windows系统。在数据库管理系统方面，主要有Informix、DB2、Sybase、Oracle、FoxPro、dBase、Access等。在开发工具方面，主要包括Java、Delphi、PB、VB、VC及各种汇编语言。因此，系统集成涉及知识、架构、网络和数据的集成。智能化建筑系统的集成也存在很多困难，如可视化仿真模拟下的立体透明集成、大数据背景下的简约和实时集成、异构网络之间的融合、控制和管理层的互通互联等。

在智慧建筑系统集成当中，系统集成方式主要是硬接点的方式，也称为干接点，通过向设备子系统添加输入/输出触点或传感器，将输入/输出触点集成到另一个设备子系统中。在系统集成方面，一般以楼宇自控系统BAS为中心平台。利用计算机网络，将楼宇自控系统和其他子系统相连，从而对其他集成子系统进行管理、控制、监测。该方法的优势在于，能对BAS平台网关转换功能加以利用，连通各个子系统。但是，如果楼宇自控系统出现故障，BMS综合系统也会出现故障，无法继续管理和监控其他子系统。系统集成方式采取了OPC及子系统并行的方式，将大系统划分为控制层、管理层，管理层为中央数据库，控制层是每个子系统。但是，如果中央监控平台或子系统不能提供标准的协议接口，这种模式很难应用。

3基于数字孪生的系统集成方法

传统的系统集成方法各自具有不同的优缺点，虽然目前应用比较多，但是其对于智慧建筑系统集成在建筑大数据时代和建筑工业化背景下提出的新要求仍无法满足。当前对于智慧建筑系统集成的要求，主要是对建筑大数据的实时可靠处理，为适应建筑工业化的趋势，满足数据安全和智能化的需求，并建立科学的模型。在此基础上，提出基于数字孪生的智能建筑系统集成方法，能够更好地满足系统集成的要求，促进建筑工程全生命周期集成的有效实现。在数字孪生理念中，将地理信息系统、数据科学、智能控制、系统工程、图形图像学等多学科知识加以集合，基于实际应用系统数字化工程的需求，构建了多模型仿真与数据线的综合集成模式。

数字孪生系统集成方法可以很好地应用于各种系统。无论是智能建筑系统中的单个设备、单个建筑构件，还是大型智能建筑项目，都可以利用多粒度的数字孪生集成思想进行不同层次的集成。之后利用纵向集成方式，达到纵横交错的透明化互联互通。在建筑智能化系统当中，数据传输非常重要，现代化建筑中需要能够有效地交换处理各种数据信息，如企业调度信息、质量控制信息、系统维护信息、手动控制信息、监测信息、报警信息、能源管理、实践报告信息、日程改变信息、设定值更改信息、控制信息等。要实现对这些数据的快速便捷的访问，利用数据集成的方式，使通信成本下降。而数字孪生系统集成平台，对于这些要求均可有效满足，因而具有较好的可行性。

4信息物理系统与数字孪生分析

信息物理系统是一种多维复杂系统，综合了物理、网络、计算等多重环境。系统可利用3C技术，实现深度协作、有机融合，进而在大型工程系统中满足信息服务、动态控制、实时感知的要求。信息物理系统中，统一了物理和计算的进程，作为新一代智能系统，融合了控制、通信、计算等多种功能。在信息物理系统中，利用信息虚体，可实现对物理实体的协同、安全、远程、可靠、实时操控。借助人机交互接口，使人能够和信息物理空间相交互，也让信息物理系統在一定程度上具备了人类智慧。因此，信息物理的本质既是网络，又是控制系统，具有一定的控制属性，同时也具有网络属性。信息物理系统作为一种重要的系统，在全世界范围内都得到了广泛的认可和应用。

数字孪生概念最早是在工业制造领域中诞生，它可以充分利用运行历史、传感器更新、物理模型等数据，集成多概率、多尺度、多物理量、多学科的仿真过程，在虚拟空间中完成映射过程，进而反映相应物理设备的全生命周期过程。在数字孪生当中，服务、控制、数据、管理、模型、数字空间、物理空间等都是其中的关键要素。数字孪生也具有很大的启发性意义，实现了现实物理系统向信息空间数字化模型的反馈。以业务流、数据流为基础的控制系统中，还需要反馈循环来实现真实数据生命周期跟踪，进而实现真实生命周期概念。利用数字孪生对物理实体进行模型化描述，智能系统功能作用能够得到更好的发挥，可以满足智能化建筑系统集成的要求。

5基于数字孪生的智慧建筑系统集成模式

从物理系统的角度分析建筑，智能建筑系统集成可以看作是建筑信息虚拟体、建筑物理实体和人的智能的结合。在智能时代下，区块链可信计算、5G物联网、人工智能、海量大数据等均得到了充分的应用，在智慧建筑系统集成方面，也体现出了全景实时可视交互、全体系精准管控、全域立体感知、全数据智能决策、全系统可信互连等特点。而随着这些特点的不断深化，智能建筑系统集成也向数字孪生建筑的方向发展。数字孪生建筑结合了建筑的物理和数字方面，以模型体系、数据线程为核心。在智慧建筑系统集成当中，数字孪生建筑提供了可行的方法和路径。在数字孪生建筑系统集成的参考模型当中，主要包括商业级、企业级、单元级、集成系统级、单系统级等不同层次。在每一层中都可以利用数字孪生，满足多粒度数字孪生的要求。

在单元级系统集成中，在虚拟建筑设备方面，管理和控制建筑设备的维护活动、运行过程、生产要素等。在单系统级系统集成中，主要涉及楼宇自控、安防、消防及低级别子系统。在虚拟子系统和物理子系统之间，实现实时交互、双向映射，融合各子系统的多业务数据、全流程、全要素。在系统集成中，主要是对智慧建筑集成管理系统云平台加以建立，保证系统管理运营、数据驱动建设、虚实联动能力得到加强。在企业系统集成中，主要是建立企业资源规划系统的云平台，以满足供应链管理和客户关系管理的要求。在业务级系统集成方面，以企业资源规划系统和智能楼宇集成管理系统为基础，建立业务级智能楼宇集成管理系统云平台，从而使建筑具备商业智能能力，满足建筑智能经济生态的要求。

6结语

智慧建筑是建筑领域未来发展中的一个重要的方向，能提高建筑智能化程度及水平，为人们的生活提供更大的便利和安全保障。而传统的智慧建筑中，各智能系统没有实现较好的集成，影响了其智能化水平的提升。基于此，运用数字孪生理念，基于数字孪生提出新的智慧建筑系统集成方案，使各个系统之间达到真正的集成，进而更好地满足建筑智能化发展的要求。

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基金项目：湖南城建职业技术学院院级重点项目《基于BIM+数字孪生技术的楼宇设备及系统智能化管理平台的研究》（项目编号：21YJZD02）成果。

作者简介：郭怡婷（1982—），女，硕士，副教授，从事建筑智能化、职业教育等方面的研究。