基于城市信息模型的数字孪生港口平台规划设计

文｜山东建筑大学测绘地理信息学院 石磊 郑国强；北京知优科技有限公司 沈旭 刘昱君 尹恺 颜嘉旖

0 引言

当前，国内外许多港口正在积极探索智慧港口建设方案，通过城市信息模型（City Information Modeling,CIM）、建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)、物联网(Internet of Things，IOT)、数字孪生及5G 等新技术，积极探索港口建设[1]。在传统的港口建设中一直存在着一些固有问题得不到解决，这些问题主要有以下几点特征：（1）数据孤岛林立。港口中不同的业务系统之间独立工作，互不统属，彼此之间的数据信息无法得到快速流通，形成数据孤岛。（2）决策方式固化。传统港口主要依赖于二维平面信息，三维空间信息利用率小，面对如今越来越复杂的港口运营业务，已经不足以支撑高效决策。（3）实时管控效率低下。目前港口调度中心主要以二维的方式进行调度管理，不能高效直观体现智慧化管控能力，同时对港口的视频监控的有效利用率低，无法将视频监控与调度管理有效的结合利用。

针对上述问题，国内外学者做了大量研究，国外学者Ahmed Khalafalla 等[2]人提出利用实用的自动化系统，依据实时港口数据预测港口的建设扩张需求，推进智能港口建设规划。吴云健等[3]阐述了智能港与智慧城市之间的关系，指出智能港是智能城市应用的一个重要方面，并对港口生产管理系统进行了详细探讨。WANG[4]指出为了拓展和完善港口的服务功能，各国应大力推进港口信息平台的建设，促进整个港口城市的经济发展和繁荣。ZHANG[5]依据近年来智慧港口建设和运行情况，研究了智慧港口基础设施的现状以及港口未来的发展趋势。

然而国内外的研究并未完全解决所有的传统问题。在我国，试点城市如南京、北京雄安新区等智慧城市建设已取得初步成功，其中广泛应用了CIM 技术与数字孪生技术。文章以威海港CIM 数字孪生港口建设为例，针对上述问题通过实践证明其解决方案的可行性。

1 BIM、CIM 与数字孪生

1.1 BIM、CIM 与数字孪生含义

BIM 是一种数字仿真模拟技术，实现了建筑物建筑信息的集成，并贯穿于整个建筑工程项目的全生命周期[6]。BIM 技术的核心是通过建筑物的信息集成实现设计方、施工方以及业主的协同合作，提高工作效率。

CIM 最早由Khemlani 提出[7]。而我国同济大学吴志强院士则将其定义扩展为城市智能模型（City Intelligent Model）[8]。住房和城乡建设部发布《城市信息模型（CIM）基础平台技术导则》[9]中对CIM 做了正式的定义，“以建筑信息模型（BIM）、地理信息系统（GIS）、物联网（IOT）等技术为基础，整合城市地上地下、室内室外、历史现状未来多维多尺度信息模型数据和城市感知数据，构建起三维数字空间的城市信息有机综合体”。

“数字孪生”概念首次出现在工业领域，被认为是实现信息物理系统的核心关键技术[10]。而在雄安新区建设中提出“坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设”,首创“数字孪生城市”概念[11]。文章“数字孪生港口”的含义为“以CIM 技术形成的空间信息模型为基底，集成物联网实时动态数据以及业务实体数据，构建港区全要素孪生体，实现港区数字孪生一体化”。

1.2 BIM、CIM 与数字孪生的联系与区别

BIM、CIM 与数字孪生之间存在很大的区别与联系，三者之间的关系如图1所示。

图1 BIM、CIM 与数字孪生的关系示意图

（1）应用领域不同。BIM 通常应用于单体建筑，汇集建筑物的所有信息，贯穿于建筑物的全生命周期；CIM 主要应用于城市及其相关方面的智慧化建设，包括智慧交通、智慧管廊、智慧市政、智慧工地等；数字孪生首先应用于工业领域，之后应用于城市的智慧化建设。

（2）相互联系紧密。在城市建设相关领域，BIM 是属于CIM 的一部分，是CIM的“细胞”，CIM 技术是数字孪生城市的核心技术，是数字孪生城市的基础，通过BIM 实现CIM 模型中重要建筑物的单体化精细模型，同时“BIM+数字孪生”则实现了建筑物的数字孪生。而通过CIM 技术，则实现了将物理城市的实体模型构建为数字孪生体，以CIM 平台为基础，对接城市各信息系统，加载城市数据资源，搭建物理世界与数字孪生世界的桥梁。

2 数字孪生港口平台设计思路

CIM 融合了小场景的BIM 模型和大场景的GIS 信息，同时结合了物联感知数据，形成城市范围的实时的信息模型，其应用于港口建设中可实时、有效地展现与管理港口的生产作业、船舶的调度等工作。同时，与在智慧城市中的应用不同，数字孪生港口的建设范围小，建设内容更加详细，能够更加细致的展现港口的调度。

2.1 平台设计目标

（1）展示港口全域数字孪生场景

接入、展示与管理倾斜摄影数据、DEM/DOM/DLG 数据、城市白模数据、点云数据、三维模型数据、BIM 模型数据等多种数据格式，构建涵盖港区全部地理信息要素与基础设施的全要素场景，使平台操作系统从二维管理模式升级到三维管理模式，通过CIM 数字孪生平台直观掌握三维空间层次信息，增强港口的综合管理，解决港口信息直观表达性差、表达不明等问题。

（2）提高数字港口建设协同调控

CIM 数字孪生平台汇聚了港口二维与三维数据信息、静态动态一体化数据信息、多元专题数据信息、实时监测数据信息等多方面、多部门信息，同时依据数据中台建设以分布式大数据集群技术为代表的数据基础支撑体系，实现了港口多部门数据联通与协同。

（3）保证数字港口作业安全

通过数字孪生视频监控数据融合技术，结合港口视频监控设备和地理空间数据，实现数字模型与视频数据的无缝融合。港口设备监控平台对港区港桥、冷链、物流等设备实时监控与监测，同时建有港口防风预警平台、消防警情预警平台等，共同打造预警信息提醒等能力，提高港口安全管控能力。

2.2 平台架构设计

图2 威海港CIM 数字孪生平台架构

一采集：通过5G、IOT、数据库等一流技术对接港区内业务系统基础资源和高清视频基础数据的采集与存储。

三主线：围绕船舶作业、场站作业、道路运输等三条核心业务开展数据整合、汇聚与治理。

三核心：依托CIM 数字孪生引擎、AI、数据中枢等核心工具实现业务数据的共享交换和分析，为CIM 可视化集成分析提供支撑。

四应用：围绕生产调度、客户服务、安全管理、物流仓储等港口作业四大方面挑选场景开展CIM数字孪生应用场景建设。

四主体：围绕散杂货、集装箱、客滚中心、冷链中心等4 个主要管理主体进行CIM 数字孪生应用服务。

2.3 平台技术支撑

威海港CIM 数字孪生平台综合应用5G、物联网、数字孪生、CIM 等技术，实现与物理空间1∶1 对应的云端港口运行状态全景图。

（1）CIM 数字孪生引擎

依据研发的三维引擎（依据虚幻引擎（Unreal Engine 4,UE4）进行二次开发）、高效数据中心、智能化决策算法（包括交通、应急、消防、物流算法），搭建引擎技术架构，建设CIM 数字孪生引擎，为CIM 数字孪生提供了强有力支撑。其主要功能见表1。

表1 CIM 数字孪生引擎核心功能

（2）BIM 数据格式转换技术

演唱会音乐，一般均拥有一定的人数规模，并在观众面前进行现场音乐表演。演唱会对于音乐爱好者而言，是一个狂欢的活动。在现场，他们的情绪可以得到尽情的释放，如激动、悲愤等。据资料显示，近年来，演唱会音乐已逐渐发展为音乐产业中重要组成部分，且门票销售收入一直呈持续增长的趋势。此外，由演唱会演变的音乐节，成为音乐产业中的一匹黑马脱颖而出。音乐节的出现，对音乐和表演者而言，将重新包装提升其价值，从而获取更多的利润。到目前为止，已举行百余场音乐节，预计未来将会达到更多。

BIM 模型储存几何信息与非几何信息,为各专业在建筑内的集成提供服务。而GIS支持地理信息的数据管理、集成、共享服务和空间分析,为协同设计提供支持[12]。BIM 模型数据本身的标准化IFC 格式是其能够与其他格式转换的基础。而采用自动化处理技术，实现BIM 软件接口与数据空间数据库的对接，使BIM 模型的结构信息、几何信息、参数信息及属性信息等尽可能完整的传递。

（3）BIM 模型轻量化技术

BIM 模型轻量化技术是通过对BIM 模型数据分析，将模型中非几何数据进行剥离以及几何数据的优化，以达到减小模型数据量的目的[13]。BIM 模型的轻量化是解决BIM 与GIS 在结合过程的关键问题之一，目前常用的轻量化方法主要有：基于标准数据格式间的模型文件转换法，基于模型设计插件的模型文件格式转换法，基于模型文件解析分割法，基于模型文件构件遍历及标识法[14]。

（4）数据中台

数据中台是一种将企业沉睡的数据变成数据资产，持续使用数据，并进行智能化分析，最终为业务服务，从而实现数据价值变现的系统和机制[15]。威海港CIM 数字孪生平台数据中台如图3所示，核心内容包括两方面：

图3 威海港CIM 数字孪生平台数据中台示意图

① 应用数据关联共享能力，以CIM 数据中台为核心，统筹各类基础信息和重要共享数据汇聚要求。

② 数据资产管理能力，协助建立管理流程，落地数据标准，提升数据质量。助力打造数据资产，挖掘数据潜在价值。

3 数字孪生系统平台功能模块规划设计

3.1 生产调度模块规划设计

（1）集装箱、散杂货模块规划设计

威海港利用CIM 数字孪生技术对集装箱、散杂货生产作业的工况进行全流程仿真。通过地理空间信息承载引擎，搭载全港倾斜摄影、正射影像等地理空间信息数据和BIM、三维GIS 模型数据，通过视频融合技术将现场监控视频与三维模型精准融合，对人车船设备进行高效监管，提高作业效率和管控能力。如图4左侧图所示。

（2）岸桥作业模块规划设计

通过数字孪生技术，将场桥式集装箱起重机、岸桥式集装箱起重机、跨运车、集装箱运输车、集装箱等事物进行1∶1数字复刻，综合应用5G、物联网、UE4 动态引擎等技术展现吊装系统实时作业场景。如图4右侧图所示。

图4 集装箱、散杂货模块与岸桥作业模块

3.2 客户服务模块规划设计

（1）企业信息管理模块规划设计

通过对接智慧化综合管理系统，将港口内集装箱的详细信息一一与企业信息相对应，使管理人员更加直观高效的查看对应企业信息，掌控货物情况。

（2）货物信息管理模块规划设计

利用安装的高速高清球机，抓拍前后、侧面、箱面箱号图像。通过数字孪生、参数化建模等技术动态展现箱号的颜色、尺寸、箱货来源等全属性信息。并结合企业信息和船舶计划等，实现货物的基本信息查看。

（3）船舶、泊位管理模块规划设计

通过对接智慧化综合管理系统，将港口船舶进出港计划、泊位管理、船舶资料信息等进行集成管控，在平台中实时展现船舶航行状态和泊位是否空余（如图5所示），为港口企业与客户提供实时船舶、泊位信息。

图5 船舶、泊位信息示意图

3.3 安全管理模块规划设计

（1）设备安全管理模块规划设计

集成IOT 物联网监控数据，清晰任务分配视图，统计各种性能指标，统计设备历史数据，利用设备故障预策机制，能够在设备出现故障之前感知异常信息，实现重要内容图形化展示，对不安全因素及时预警，避免设备的突然损坏，保证港区设备的正常运行。

（2）作业安全管理模块规划设计

结合港口视频监控设备和动态作业数据，对接安全管理平台，对港区重点区域进行隐患排查，对视频监控点周围画面识别挖掘，实时掌控隐患排查信息，及时反馈预警信息。港口安全管理评级如图6所示。

图6 港口安全管理评级示意图

3.4 物流仓储模块规划设计

（1）物流配套管理模块规划设计

物流园区采用联动消防警情预警机制，通过监控进行烟雾报警智能AI 识别，自动读取数据并对比分析，对低压故障断电告警，平台则立即提示管理人员进行消防应急处置，在所搭建的孪生环境下精准查询物资设备定位。如图7所示。

图7 物流园区与煤炭仓储中心

（2）煤炭存储管理模块规划设计

仓储中心利用增强现实（Augmented Reality,AR）视频融合技术对煤仓建筑易于污染地区进行实时监控，并智能分析污染程度，实时反馈管理人员，辅助管理人员及时做出决策，确保绿色环保经营。

4 总结

文章将以CIM 技术为核心的数字孪生引入港口建设中，构建威海港数字孪生体，搭建威海港CIM 数字孪生平台，建成统一的资源整合的CIM 数字孪生数据库，集成并整合各业务子系统重点数据资源；实现数字模型与视频数据的无缝融合，打造预警信息提醒等能力，提高港口安全管控能力；实时掌控港口作业全景图，提高港口作业管理效率。为未来中国智慧港口的建设提供了可行性方案。