基于数字孪生的低碳数字少年宫建设方案研究

郭溪

摘   要：自碳达峰、碳中和目标提出以来，我国高度重视绿色低碳发展，各行各业致力于能耗的监测与管理。少年宫作为标杆性建筑，通过构筑数字孪生平台，发挥数据价值，降低能源消耗，同时打造智慧化系统，实现数字化运营管理。因此，通过介绍数字孪生的概念与实施价值，分析基于数字孪生的低碳数字少年宫的主要建设方案及其功能，提出其运营管理价值，助力以数字少年宫为代表的低碳建筑的智慧化转型升级。

关键词：数字孪生；低碳；数字少年宫

中图分类号：FTU17       文献标志码：A      文章编号：1673-291X（2023）18-0057-03

一、研究背景

碳达峰、碳中和目标是我国基于当前环境问题和能源危机提出的重大战略决策。2021年10月24日，中共中央、国务院印发了《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，就经济社会发展全面绿色转型、产业结构等10个方面提出了31条措施，标志着双碳工作最高顶层设计的正式出台。2021 年10月26日，国务院印发了《2030年前碳达峰行动方案》，提出了重点实施能源绿色低碳转型、节能降碳增效等“碳达峰十大行动”。该方案是碳达峰阶段的总体部署，标志着我国进入了以降碳为重点战略方向、促进经济社会发展全面绿色转型的关键时期。

少年宫作为典型的公共建筑，往往承接科技体验馆、青少年活动中心、规划展示馆等承担的多种功能，是一个城市的标杆性建筑，是数字化新基建内容的重要组成部分，具有使用上的开放性、功能上的多样性、建筑结构和人流交通的复杂性等特点。零碳建筑的理念与实践近年来日趋增强，通过数字化手段打造信息化、专业化、智慧化的低碳数字少年宫，以更加精细、动态的方式实现绿色高质量发展，是助力实现双碳目标、提升数字化管理能力、打造适应信息化社会发展需求的现代化新型建筑的重要切入点和着力点。

二、数字孪生的定义与价值

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。简单来说，数字孪生就是在一个设备或系统的基础上，创造一个数字版的“克隆体”。在工业4.0研究院协助下，2020年4月7日国家发改委和中央网信办联合印发了《关于推进“上云用数赋智”行动培育新经济发展实施方案》，首次指出数字孪生体是七大新一代数字技术之一，其他六大技术为大数据、人工智能、云计算、5G、物联网和区块链。

通过将数字孪生技术应用于低碳数字少年宫的建设中，可实现如下价值。（1）更直观、更便捷的管理。通过仿真工具、物联网、大数据、虚拟现实等各种数字化的手段，将物理设备的各种属性映射到虚拟空间中，形成数字镜像，更有利于优化设计、制造和服务等过程。（2）更全面的监测。借助于物联网和大数据技术，通过物理传感器采集的指标和直接数据，并借助大样本库，通过机器学习推测出一些原本无法直接测量的指标。（3）更全面的分析和预测能力。结合物联网的数据采集、大数据的处理和人工智能的建模分析，实现对过去发生问题的诊断、对当前状态的评估，以及对未来趋势的预测，并给予分析的结果，模拟各种可能性，提供更全面的决策支持。（4）数字化的经验复制。数字孪生技术的一大关键优势是可以通过数字化的手段，将原先无法保存的专家经验进行数字化，并提供保存、复制、修改和转移的能力[1]。

打造基于数字孪生的建设运维+双碳管理的现代化少年宫，可以在展示、感知、控制、回溯等环节实现虚拟空间的全方位映射，以及实体建筑的全生命周期过程智能化管理，保证了功能上的多样性，并集自控、人员、安防、消防、数字化运营关键数据于一体，以风险防控为底线，提升数字化管理能力，符合全球绿色经济发展对于中国的要求和高质量发展要求。

三、建设方案

数字孪生低碳少年宫的建设方案包括双基座、三平台、一中心。将少年宫内所有可管理对象数字化，并纳入数字孪生基座，通过信息资源整合与共享，对空间数据进行统一管理，并直观展示各类应用界面。

（一）双基座：BIM+3Dmax数字孪生基座

BIM是指基于先进三维数字设计解决方案构建的可视化的数字建筑模型。全生命周期管理场景将应用BIM技术来提高建筑工程管理的集成化程度和交付能力，使工程的质量和效率显著提高，从而减少返工，减少浪费，提高效率[2]。

3Dmax主要目的是进行可视化建模，其定位是进行建筑表现和动画展示。数字孪生可视化平台应用3Dmax能够快速进行建模、渲染。

基于数字孪生基座，通过在少年宫全面部署的各类传感器，实现各类数据的可视化管理，包括设备数据可视化、人员数据可视化、会议可视化、能耗数据可视化、告警数据可视化、车辆数据可视化等，实现数据集中共享、精准主题数据分析、数据辅助决策，从而发挥数据的最大价值[3]。

（二）全生命周期管理平台

全生命周期管理平台是一种基于BIM引擎的工程项目全生命周期协同管理中台，用于数字化建设管理[4]。全生命周期覆盖咨询规划阶段包括项目可研、建设方案分析、体量模型创建、3D可视化；设计阶段包括：方案比选、专业设计建模、碰撞测试、虚拟漫游、正向设计；建造阶段包括施工深化设计、施工进程模拟、工程量统计、建构竣工模型；运维阶段包括运维方案策划、运维模型建构、运维系统搭建、改造管理等。该平台打通设计、工程、运维阶段数据通道，集成于一体化服务平台，对于关键风险点进行全生命周期管理，并配置接口，對接设计中间件、施工中间件、运维中间件。在低碳数字少年宫应用场景中，对智能化建设项目整体进度进行可视化管理与过程管控，为项目全周期提供数字化管理平台和服务。

（三）智慧少年宫管理平台

智慧少年宫管理平台包含楼宇自控、综合安防、人员管理、消防预警、智慧运维等数据处理中台，用于数字化内部运营管理。

1.楼宇自控系统

整合各个楼宇内的电梯、空调设备、冷源设备、新风系统等设备传感数据，显示设备的当前运行状态，并根据设备参数性能、使用性能设定多维度、多状态的识别反馈机制，结合项目模型位置、设备三维模型、感叹号、红色闪烁等图形特效，自动直观地呈现异常设备。

智能供电：在三维场景中直观呈现建筑楼宇内主干供电线路、变配电间及供电设备的空间分布和具体位置，同时点击可查看相关监测数据。

智能供排水：可对接设备监测数值及告警信息，实现故障设备高亮显示，用水超标阈值告警，并支持管理者进行远程控制智能水阀开闭。

智慧节能：针对少年宫内复杂用电场景，提供无线、有线、计量、漏电监测等多类型物联网传感设备，覆盖少年宫各类型用能环节，实现全方位用电智能管理。

资源实时监控：在三维场景中直观展示设备空间分布及工况，直观看到每台设备在楼宇内的具体位置，同时点击可查看相关信息，方便进行调节控制。

2.综合安防系统

门禁、驻车管理：以数据对接的形式将人脸识别系统、车辆管理系统、门禁系统等告警数据进行对接，在平台中对各类告警数据进行汇总呈现，以便用户从宏观角度快速发现异常。

楼宇监控系统：整合少年宫各类安防设施资产，实现视频监控，人脸识别设备，设备的位置、分布、状态及运行异常告警，结合三维场景实现精准定位，提升基础设施运维效率，满足不同场景下的监控需求。

报警联动系统：安消联动、闸机视频联动等场景使警情响应时间大幅缩短，做到及时发现、准确判断、及时响应。

3.人员管理系统

人流、车辆监控：在CIM平台上可快速查看车位资源，解决车位管理问题。平台可实现停车位可视化查询、校区停车及充电桩指引与导航，以及校区车辆视频监控等功能。

智慧停车：员工通过小程序绑定车牌，在停车场门口进行人脸识别测温与车牌自动识别后自动放行，还可对车辆出入记录实时查询。访客通过扫描二维码，登记车牌和访客基础数据，在停车场门口进行人脸识别测温与车牌自动识别，可对车辆出入记录实时查询。

员工出入权限管理：CIM平台可集成视频监控、周界报警、门禁报警、电子巡更、移动执法终端等系统数据，对少年宫内重点部位、人员、车辆、告警事件等治安要素的实时状态进行可视化监测。

访客管理：访客通过访客一体机快速进行无接触自助登记，由公安内网进行人证对比，审核通过后，由后台记录姓名、出入时间、体温情况等数据，体温异常情况发出预警并自动记录。

4.消防预警系统

消防态势管理：整合少年宫各类消防设施资产，将消防设备的位置、分布、状态及告警，结合三维场景实现精准定位，提升基础设施运维效率，结合安防资源信息与告警数据，辅助判断消防告警的准确性。

巡更、安消设备联动：少年宫人员使用此系统可直接通过平台制订消防巡检计划、设备巡检计划、品质检查计划等，一线工作人员可直接通过APP端执行任务（少年宫支持感应NFC或二维码确认），并在手机端上传巡检情况。

火灾应急响应：如某区域出现烟感告警，应计算距离最近的摄像头，自动调取视频画面，通过三维平台直接点取摄像头画面，辅助判断是否出现火情等情况，提高运维质量，保障少年宫安全。

5.智慧运维系统

该系统可对少年宫内部各类设备、设施进行三维建模，以真实复现设备设施外观、结构、运转详情。支持集成视频监控、设备运行监测以及其他前端传感器实时上传的监测数据，对各类设施具体位置、类型、运行环境、运行状态进行监控。可实时查看设施的详细资料、修缮记录、视频监控画面等信息，支持设备运行异常（故障、短路冲击、过载、过温等）实时告警，从而可辅助管理者直观掌握设备运行状态，及时发现设备故障问题、及时进行设施抢修，以最快时间恢复正常运营。

（四）双碳管理平台

双碳管理平台包括能耗管理、用电精细化管理、双碳对标管理中台等，主要用于外部交互管理。

1.能耗管理系统

接入少年宫用电、用水等能源消耗信息，进行可视化展示，对异常状态进行能耗预警。能耗管理分两类。一类是设备的能耗信息，包括变压器、服务器、空调、打印机等耗能设备的能耗监测数据；另一类是对用电线路负载的可视化监控，高于日常平均负荷功率可进行预警，并生成能耗异常事件，提醒主管人员及时维护处理。系统配置数据页面，页面左侧为能源使用情况监测，主要展示电量、电费统计数据、电压、电流统计数据、用水情况等指标，右侧为事件监测预警，展示告警事件的时间、位置、详情，点击事件位置，三维镜头自动下钻到该位置。

同时，该系统可提供基于AI算法的能效分析诊断。对数据机房、配电房等关键区域的温度、湿度、烟感、水浸状态进行监测和告警，保障设备运行安全稳定。对办公区域的温湿度、CO2浓度、光照度进行监测，为设备运行状态调节提供依据，保障办公环境舒适度。通过能源消耗过程的可视、可控以及节能效果的量化管理，为设备运行模式动态调节提供依据，并评估节能效果、提供整改建议。

2.用电精细化管理平台

通过AIoT技术，搭载新一代智慧空开，实现对用电线路的电压、电流、功率、用电量、线路温度、漏电流等参数实时监测，发现设备发生故障实时上报，通过大数据分析对线路进行精细化节能管理。同时，通过集中控制管理，实现智能化环境自适应改变，包括根据环境与人流量自动调整灯光方案、调节空调设定等。

3.双碳对标管理

通过与国内、国际双碳管理的双对标，进一步完善碳资产管理的流程優化，并探索碳排放核算、绿标认证、CCER交易管理、碳指标运营等碳中和实现路径。通过数字孪生+双碳管理平台，与上级平台进行智能化对接，将数字低碳少年宫打造为低能耗建筑、进而实现零能耗建筑。

（五）一中心：智慧数据中心（数字资产管理）

智慧数据中心也称为智能运营管理中心，包含数据驾驶舱和移动数据管理。

1.数据驾驶舱/数据资产管理

用于日常的少年宫工作汇报与展示场所，在一图可视、一键闭环、一数共享的建设基础上，贯穿少年宫各方面方法规范，形成全新的数字孪生运营体系，通过可视化技术，真正打通数字世界与现实世界，并相辅相成，形成常在线、稳定运转的少年宫运营大脑。

2.数据多终端实时管理

利用监控设备对少年宫场所进行全方位、立体化管理和监控。另外，可以对摄像机、云台进行远程控制，自动设置各种报警与联动，并对监控内容进行数字录像和储存，对数字录像文件进行编辑、检索和回放功能，便于管理人员随时随地实施决策。

四、结束语

通过构建数字孪生基座，将布放于少年宫各个位置的传感器所采集的数据反馈至统一平台，并对数据进行整合和深度挖掘分析，以充分发挥数据价值，为少年宫的运营管理提供决策支撑。该系统可实现两方面价值。一方面是，通过平台整合少年宫所有智慧化子系统，无需复杂的接口开发即可实现智慧场景联动，降低管理成本，提高管理效率；另一方面是，通过对各类能源消耗的监测、优化，减少不必要的能耗浪费，优化资源配置。基于数字孪生的低碳数字少年宫将绿色低碳理念贯穿于少年宫规划、建设、运营和维护全过程，降低全生命周期能耗和碳排放，致力于打造低碳建筑，助力雙碳目标的实现。

参考文献：

[1]   陈庆.数字孪生在数据中心基础设施领域的应用探索[J].中国金融电脑，2019（8）：67-71.

[2]   殷晓博.BIM技术在建筑设计中的应用及推广[J].铁道建筑技术，2021（12）：175-179.

[3]   袁炯斌，林泽源，刘雅婷，等.可视化与物联网技术在电力机房仿真巡检辅助中的应用[J].中国高新科技，2020（1）：121-123.

[4]   许肖勇.BIM在建筑工程管理中的应用研究分析[J].四川建材，2021，47（1）：205-206.

[责任编辑   彦   文]