基于物联网的建筑物3D可视化技术研究

陆正卿，方维岚，苗延霖

（上海烟草集团有限责任公司，上海 200082）

1 概述

基于物联网的建筑物三维可视化技术的研究和应用正成为学术界与工业界的热门话题之一，通过连接传感器、设备与系统，实时获取与分析各类数据，将三维模型直观地展示给管理者。其涉及的技术包括数据采集、设备管理、数据存储与可视化建模等。为应对这些挑战，已提出与应用了各种技术工具与框架。

2 相关技术综述

2.1 物联网技术

物联网技术包括传感器技术、通信技术、数据处理技术和应用平台等方面。传感器技术用于感知和采集环境中各种数据，如温度、湿度、光照等。通信技术负责将传感器采集的数据传输至云端或其他设备进行处理和分析。数据处理技术涵盖数据存储、数据挖掘和数据分析等，用于从庞杂数据中提取有益信息。应用平台则提供统一接口和工具，以开发和布署物联网应用。

2.1.1 EclipseDitto

Eclipse Ditto 提供物联网设备及其数字孪生融合的位置，是物联网中的一项技术框架，该框架能够管理数字孪生的状态，实现数字孪生基于云的虚拟表示，将代表现实世界的对应物（现实世界的“事物”，如传感器、智能供暖、联网汽车、智能电网、电动汽车充电站等设备）实现数字孪生融合。

Eclipse Ditto 使用了各种协议，如AMQP 1.0，AMQP 0.9.1，MQTT，Apache Kafka 或HTTP/WebSockets，其重点在于通过提供 Web API 来关注后端场景，以便简化已连接（如通过Eclipse Hono）设备和来自客户应用程序或其他后端软件的“现实事物”的协同工作。同时具备较高的扩展性，未限定物联网中的“物体”须提供指定的数据或结构。

2.1.2 EclipseHono

Eclipse Hono 是一个开源项目，旨在为物联网（IoT）设备提供统一和扩展的连接、通信和数据处理功能。其提供了一个轻量级的代理架构，可与各种设备进行通信，并将设备生成的数据路由到所需的云服务或应用程序。其提供的远程接口用于将大量IoT 设备连接到后端并以统一的方式与它们进行交互，而无需考虑设备通信协议。

2.2 可视化Three.js技术

随着数字孪生应用需求日益增加，三维可视化以更多维度去管理、展示数据，让用户更直观有效地进行决策管理。其中，WebGL 的技术较为成熟，是一种免费的、跨平台的3D 绘图标准，是HTML5规范的组成部分之一。而在WebGL 中，Three.js 作为一个轻量级、开源免费的开发框架，杰出的易用性和扩展性使其得到行业的广泛应用。

Three.js 不仅封装了WebGL 原始的API，还支持Canvas 动画、CSS 动画及许多实用的内置对象，可快速实例化场景，并在开发中使用了很多图形引擎的高级技巧，极大提高了性能。Three.js 的具体功能如下。

（1）细节简化。Three.js 将WebGL 原生API 的细节抽象化，将3D 场景拆解为网格、材质和光源（即其内置了图形编程常用的一些对象种类）。

（2）高性能。Three.js 采用了3D 图形最佳实践来保证在不失可用性的前提下，保持极高的性能。

（3）支持交互。WebGL 本身并不提供拾取（picking）功能（即是否知道鼠标正处于某个物体上）。而Three.js 则固化了拾取支持，可轻松地为应用添加交互功能。

（4）强扩展性。为Three.js 添加新的特性或进行自定义优化是很容易的事情。若需某个特殊的数据结构，那么只需封装到Three.js 即可。

（5）支 持HTML5 canvas。Three.js 不但支 持WebGL，而且还支持使用Canvas2D、Css3D 和SVG进行渲染。在未兼容WebGL 的环境中可回退到其它的解决方案。

3 架构及方案

3.1 业务需求

文章旨在探索基于物联网的建筑物3D 可视化框架技术，模拟大型园区场景，实现对园区中各建筑物消防系统、安防系统、照明控制系统、空调控制系统等的实时监控、数据分析和数据可视化展示。依托物联网及3D 可视化技术，在科技园区建设传感网络，在园区建筑物中的重要基础设施和场所安装温度、湿度和安防等传感器，进行数据采集模并将其传输到后端系统进行处理。将园区建设成一个广泛存在感知的“物联网”空间，对园区内建筑物实行全面感知和感测。再由设备管理模块用于注册、连接和管理建筑物中的各种设备，确保其正常运行和可靠性。通过创建建筑物的可视化3D 模型，实现实时交互和数据展示。

3.2 技术架构

通过底层传感器采集消防系统、安防系统等数据，使用Eclipse Ditto、Eclipse Hono 物联网框架技术，通过MQTT 等通信协议方式接收传输数据，且使用Three.js 功能建立园区建筑物的3D 模型，并将数据来源匹配模型中的位置，通过可视化的方式展示数据。

3.3 数据采集方案

3.3.1 消防系统数据采集

通过统一监控应用中的消防监控模块，实现与消防系统的集成和监控。消防系统主要完成各种消防数据的探测、自动和手动报警及与喷淋系统的联动控制。通过感烟火灾探测器、感温火灾探测器等，在符合行业标准的前提下实现关键数据的探测采集。

3.3.2 安防系统数据采集

通过统一监控应用中的安防监控模块实现与安防系统的集成和监控，主要实现园区内安防相关的各种资产数据、监控数据的采集和展示，同时实现对各种事件的监控和监控数据的存储。通过监控能够快速对异常设备或事件进行定位，及时查看现场或采取其他应对异常的措施。

3.3.3 强电、弱电系统数据采集

通过统一监控应用中的强电、弱电设施，如照明系统、空调系统及机房设施的集成和监控，采集各个设备的状况和状态数据、异常事件等，包括空调温度、三相线电压、停电报警及高/低电压报警等，及时根据预案或现场判断采取措施。

3.3.4 多媒体设备系统数据采集

通过多媒体设备监控模块与多媒体管理系统的集成，实现对多媒体设备的监测和控制，大致包含会场中控系统、公共广播系统、视频显示系统、音频扩声系统及远程控制终端系统等。

3.3.5 Wi-Fi系统数据采集

通过统一监控应用中的Wi-Fi 位置服务模块与Wi-Fi 位置服务管理系统的集成，实现对Wi-Fi 设备的监测和控制、Wi-Fi 热点位置信息的接入及Wi-Fi热点设备实时工作状态接入等，并实现以上接入信息的落地存储。

3.3.6 设备管理模块

设备管理模块负责注册、连接和管理建筑物中的各种设备。其提供了一套统一的接口和工具，用于设备的身份验证、配置和状态监测。通过设备管理模块，可实现对建筑物中的设备进行集中管理和远程控制。

3.4 可视化Three.js方案

3.4.1 场景设置

将场景设定在大型园区内部，依托物联网技术采集园区内某5层大型生产工厂建筑的各项数据指标，并根据实际环境利用Three.js 制作三维场景，将数据以可视化形式展示，采集包括消防数据、安防数据、强弱电数据、多媒体设备数据及Wi-Fi 系统数据。拟定在工厂外部安装温度、湿度传感器，用于判断建筑外部的气温状况。在工厂内部，每个楼层均安装了温度、湿度等消防传感器，监控摄像头等安防传感器，用电数据记录、用电实时监测等强弱电传感器，此外还包括多媒体设备、Wi-Fi 系统的传感器，检测设备等是否启用及运行情况，并在重点区域（如生产车间等）着重进行监控，将最终数据可视化展示。

3.4.2 静帧图片渲染

在场景中选择三维表现效果较好的位置取景，并调整好摄影焦距。此过程与现实过程中的摄影类似，均采取“取景—调焦”的模式。利用Lumion3D 自带的渲染工具，选择渲染照片的像素即可生成静帧图片，此过程类似于现实中摄影的“快门”。

3.4.3 三维动画生成

通过Lumion3D 中视频编辑的功能，运用关键帧记录漫游位置设定漫游路径，即在每一个关键帧的位置设定角度和焦距。在3D 游览路线设计中，将工厂整体与内部每个楼层间进行联动，可切换每个楼层查看内部传感器位置及实时返回事件，并将当前突发故障的楼层以高亮显示，可及时点入楼层查看故障信息。通过添加Lumion3D 自带的渲染特效，可调整建筑的外观以达到更好的渲染效果。

4 项目效果

通过试验获得了以下结果和分析。

（1）数据采集。建筑物群内部各楼层的系统（包括消防、安防等）数据采集稳定，包括数据实时性、正确性、异常情况等。

（2）数据接收。各类数据（包括消防数据、安防数据等）传输稳定，具备数据实时性、正确性，异常数据反馈及时且准确。

（3）数据展示。各类数据（包括消防数据、安防数据等）查看便捷，界面交互性强，操作易上手，同时，易查看异常数据，并且用户在移动端接收的异常事件工单具备准确性、实时性，可针对问题及时采取措施。

试验结果表明，该物联网框架设计的系统具有良好的用户体验、高效的数据处理能力和稳定的系统性能。基于物联网的建筑物3D 可视化框架为建筑物管理和运营提供了一种强大的工具和平台。

5 结束语

基于物联网的建筑物3D 可视化技术是近年来研究的一个重要方向。通过将传感器和设备与互联网连接，实现对建筑物内部和外部环境数据的采集，从而使管理者可基于3D 可视化技术，更直观地远程监控建筑物的情况，并及时做出相应处理，辅助管理者更好地监测建筑物的运行状态和能源消耗情况。未来随着技术的不断发展和应用场景的扩大，相信这项技术将会得到更广泛的应用。