基于CIM 的智慧园区技术探索与落地实践

周强 唐伟 孙浩 台思 王树涛 余海威 郭睿

(中国建筑西南设计研究院有限公司，成都 610042)

引言

随着我国城市化进程的加快，智慧城市建设已成为国家发展战略之一。作为智慧城市建设的重要组成部分，CIM（City Information Modeling，城市信息模型）技术在近年来得到了广泛应用。CIM 是以建筑信息模型（BIM）、地理信息系统（GIS）、物联网（IoT）等技术为基础[1]，整合城市多维多尺度信息模型数据和感知数据，构建三维数字空间的城市信息有机综合体[2]。随着CIM 技术的广泛应用，其体系逐渐清晰，核心技术包括物联感知技术、GIS 与新型测绘技术、孪生建模技术、可视化渲染技术、仿真推演技术和交互控制技术等。应用场景的尺度延伸促进了技术引擎的深度融合，如将GIS 引擎的数据管理调度和空间分析等能力与Unreal Engine （简称UE）、Unity 等游戏引擎的场景表现能力紧密结合、利用IoT 引擎与WebGL 引擎的融合，将模型与物理空间挂接，实时加载物联网数据，实现动态化管理。

在智慧城市这一先行理念的引导下，智慧园区的概念进入了公众的视野，作为智慧城市的重要组成单元，智慧园区的体系结构与发展模式是智慧城市在一个区域范围内的缩影。数字孪生是智慧园区技术层面的抓手，而基于CIM 技术的数字孪生是其中众多技术之一，CIM 技术在智慧园区的应用，是把CIM 技术具体落地到园区建设运行中[3]，统筹园区整体全面信息系统的建设应用，真正实现智慧园区的升级落地[4]。CIM 技术在智慧园区的应用落地在国内已有不少成功案例，如青岛云谷智慧园区、深圳国际生物谷坝光片区等。

青岛云谷智慧园区基于CIM+数字孪生技术，通过打造“IoT 物联平台+IoC 决策运营平台中心+9 大智慧园区服务体系+9 个智慧场景”的个性化解决方案，提供了统一管理、应急部署、互动展示等方面的有效管理和集成，打造了“宜居、宜业”的智慧园区。

深圳国际生物谷坝光片区的CIM 技术实践，目标是片区内的工程透明、数据可视可控和辅助决策。通过搭建坝光CIM 标准体系，在标准框架下对BIM 模型整合，建设坝光CIM 管理平台和运维系统，实现坝光片区的“规、建、管”一体化[4]。

综上，目前CIM 的研究应用大多聚焦在城市层面，而开展落地实践往往是从城市的某一区域着手。一是因为CIM 是宏观与微观相结合，必须要落地到建筑单体，园区恰恰是建筑单体的直接管理单位，能带来更细致的需求场景；二是因为目前CIM 技术难以支撑城市级体量的、室内外一体化融合分析与应用[5]。在此背景下，基于CIM 的智慧园区技术探索与落地实践具有很强的可行性和必要性，本文以独角兽岛智慧园区为例，详细介绍在该项目中对CIM 技术的应用和思考。

1 基于CIM 的独角兽岛智慧园区技术实现

独角兽岛智慧园区建设项目，位于成都市天府新区，总规模约144 万㎡。项目充分应用城市信息模型CIM 技术构建其场景及智慧应用，主要建设内容包括数字孪生平台建设、多灾种监测预警、“规-建-运”全生命周期管理、智慧能源双碳等亮点应用场景，独角兽岛数字孪生平台园区整体态势如图1 所示。项目按照成都市智慧园区四星级认证标准，打造国内一流的毫米级精度数字孪生园区。

图1 独角兽岛数字孪生平台园区整体态势图

1.1 总体技术架构

独角兽岛智慧园区的总体技术架构分为数据资源、通用服务平台、数字孪生CIM 平台。其中，数据中台、物联中台提供基础技术支撑服务，CIM 平台提供基础引擎服务、模型处理与渲染服务和数据服务能力，协同为整个智慧园区提供数据治理、场景可视化、管理精细化等能力，总体技术架构如图2 所示。

图2 总体技术架构图

物联中台对前端感知设备进行统一管理，包括数据采集、空间定位、统计分析和状态监测等多种应用，各类应用通过智能终端实现数据采集。在此基础上，实现无线传感、实时监测和状态信息的动态以及实时管理[6]。

数据中台通过设计开发基于CIM 技术的智能管理系统的多维时空数据库，实现从空间、时段和内容等方面的信息采集、处理、管理和应用支撑，从而满足现阶段的通用性需求和下阶段的大数据挖掘需求[6]。

CIM 平台的基础引擎服务提供包括不限于WebGL可视化引擎服务、UE 渲染游戏引擎服务、海量BIM模型加载服务、多源数据融合服务以及实体对象计算服务等服务能力。通过三维地理信息系统（3D GIS）与建筑信息模型（BIM）之间无缝和信息无损集成技术[7]，融合各类动态IoT、事件数据，创建基于CIM技术的动态化、智能化管理平台。针对海量数据融合可视化过程中存在的图像快显的渐进传输、数据的输入或输出与处理之间的并行和数据处理的高内存占用等关键问题，采用海量数据图像处理技术、海量数据快速可视化技术和基于视窗预测的矢量与三维BIM 模型数据一体化动态加载技术等来解决，尤其解决了可视化过程中的矢量、业务和三维等多维数据展示问题，实现多维数据快速流畅的可视化。

CIM 平台的模型处理与渲染服务提供包括多格式模型转换、多模型融合、三维特效叠加以及BIM 模型数据处理等模型服务能力。兼容主流BIM 模型、点云模型格式，采用BIM 转换解析技术、大型关系数据库技术以及非关系型数据库技术。基于系统间开放互联、数据互通和网络环境的需求，形成以完备的时空地理数据库为基础[6]，提供基础应用场景，支撑平台的相关应用，实现数字化园区的时空地理信息承载平台。

CIM 平台的数据服务提供包括数据汇聚与管理、数据查询与可视化、数据共享与交换、平台分析、平台运行以及支撑能力等服务能力。基于底层数据分级分层组织技术（包括影像数据分层、LOD 模型分层等）、面向对象的多源数据管理技术和时空数据组织模型技术实现海量异构时空数据的高效组织和管理，支持海量时空数据的高效检索和调用。同时支持图片、文字、视频、遥感影像、矢量、三维、点云及高程(DEM)等各种异构数据。针对多源数据，内置二三维数据分析能力，提供在线或离线计算能力。

1.2 关键技术点

1.2.1 全要素场景建模能力

创建独角兽岛全要素场景模型是构建数字孪生应用的重要步骤之一，需要展现独角兽岛物理实体的几何图形、属性、行为和规则等。除了在外观结构和物理实体一致，全要素场景模型还需模拟物理实体的时空状态、行为和功能等。

本项目主要采用以下关键技术手段创建独角兽岛全要素场景模型。

（1）BIM 模型轻量化。通过对原始BIM 模型数据进行清洗、减面、压缩等操作，减少模型的体量和复杂度，以在实际项目中提高BIM 模型的运行效率，使其更适合在电脑、手机等终端上查看和交互。本项目在已有BIM 模型的情况下，需要对原始BIM 模型数据进行清洗、减面、压缩等操作，以在实际项目中提高BIM 模型的运行效率；

（2）倾斜摄影。通过无人机搭载的多台相机从多个角度采集影像数据。通过其中一台相机获取地物的垂直影像，另外四台相机将倾斜角度保持在40°~60°的范围，从前后左右四个方向同时获取侧视影像，从而获取完整、准确的地物轮廓和纹理信息；

（3）人工测绘。部分场景无法通过BIM 模型处理以及倾斜摄影解决，需采用人工测绘方式来构建。

1.2.2 UE 与WebGL 双引擎渲染能力

数字孪生场景渲染能力是当下数字孪生项目实际交付过程中的核心关注能力之一。目前在三维渲染引擎的技术选型上通常是两种方案，一种是基于C/S 架构的主流游戏引擎技术路线（UE、Unity 等），另外一种是基于B/S 架构的WebGL 技术路线。

基于WebGL 的技术路线是基于WebGL 封装的渲染库进行开发，如three.js、babylon.js，适用于效果要求不高的场景[8]。其优势在于：

（1）灵活性高。根据业务需求深度定制，易于其他业务系统通信或集成；

（2）代码冗余少。易于问题排查；

（3）建设成本低。

其劣势在于：

（1）复用性低。根据业务需求深度定制可复用的代码少，难以模块化；

（2）效果较差。能支撑的三维场景体量小，能达到的渲染效果比较有限，难以实现中大型场景或较为写实的场景风格；

UE 是一款由Epic Games 开发的游戏引擎，用于创建电子游戏、虚拟现实和数字孪生等内容。UE 提供了完整的工具集，包括编辑器、资源管理器、代码编辑器和调试器等。UE 在数字孪生领域中发挥着重要的作用，可用于创建高度仿真的虚拟环境，实现虚拟演练、测试和模拟。其优势在于：

（1）强大的渲染引擎和物理模拟系统，可实现高质量的图形渲染和物理模拟。UE 的渲染引擎使用了基于PBR（Physically Based Rendering）渲染技术，可以模拟真实物体的反射、折射等光学效果，使场景更真实；

（2）支持实时渲染，可以让开发者在编辑器中实时预览场景效果，通过编辑器实时调整场景中的元素、光照、材质等参数，更好地观察和调试场景；

（3）UE 所提供的蓝图可视化脚本可以快速构建业务逻辑和应用功能。

其劣势在于：

（1）渲染成本高，对于资金预算紧张的项目需慎重考虑；

（2）对硬件设施要求高，对展示端和服务器图形工作站有较高的配置要求；

（3）只支持C/S 架构，不能实现多端访问。

本项目基于B/S 和C/S 两种技术架构以及云渲染技术架构，采用UE 与WebGL 双引擎渲染技术路线。采用双引擎渲染的优势在于：

（1）兼容性更强。UE 支持多种平台发布，包括桌面和移动端等，WebGL 则兼容所有支持HTML5 Canvas 的浏览器。两者结合可实现更广泛的兼容性；

（2）渲染更高效。利用UE 的强大渲染引擎和WebGL 的硬件加速功能，实现更快速、更流畅的3D渲染效果，尤其是在处理大规模数据和复杂场景时；

（3）交互性更强。UE 具有极高的自由度，实现复杂交互逻辑，WebGL 可通过JavaScript 编写游戏逻辑，直接嵌入到网页中，无需安装额外的软件。两者相结合，可以实现更好的交互性，让用户体验更加丰富。

1.2.3 虚实交互与实时仿真能力

数字孪生系统的虚实交互操作性，意味着在虚拟世界中的操作能够在真实物理世界得到反馈，这样的虚实交互、虚实联动，是从看见数字化转变到受益于数字化的关键。

在建设过程中，强调虚实共生。设置智慧运营指挥中心，业务决策人发现异常事件后拉起相关负责人发起视频会议做出决策，对应的任务下派给一线业务人员，一线业务人员上报情况后事件处理的结果能在场景中反馈出来。

完整的联动指挥体系其中的关联的数据包含人、事、物。“人”即园区公众；“事”指日常任务、异常事件的告警，以及提前设定好的预案；“物”是物联网设备数据，如摄像头、烟雾报警器、闸机等。独角兽岛数字孪生平台智慧安防整体态势如图3 所示。

图3 独角兽岛数字孪生平台智慧安防整体态势图

通过数据中台整合物联网感知设备、楼宇自控系统等各种分散的数据，以及事件枢纽中心等协同系统，用协同系统实现任务流程管理、任务台账。结合场景构建能力、业务场景协同能力实现智慧能源、智慧安防等应用场景。

1.2.4 场景应用敏捷交付能力

伴随着快速增长的智慧园区数字孪生应用场景需求，缓慢的定制化开发与快速交付需求的矛盾日益突出。为满足快速发展的场景应用需求，本项目采用敏捷开发的思想，充分复用既有数字资产，持续提升数字孪生技术对园区业务的支撑作用。

本项目敏捷交付的思想主要体现在两个方面：

（1）数字孪生场景编排中心。平台接入数据中台的数据、接入业务中台的业务能力、接入数字孪生中台的模型处理及多种能力，提供场景配置、接口配置、业务集成配置、资源管理、应用发布等能力，通过“拖、拉、拽”等多种配置方式，快速构建园区应用，实现高效地实施落地；

（2）智慧园区业务编排中心。通过全面分析园区全生命周期的业务需求，挖掘共性业务，建立园区业务模型、业务流程、业务服务，建立业务中台。通过业务中台持续沉淀智慧园区业务能力，实现高效复用。

2 独角兽岛智慧园区特色应用及建设亮点

2.1 军民融合政策的贯彻——多灾种预警安全监测

独角兽岛多灾种预警应用包含了北斗建筑安全监测、地震预警等应用。针对建筑物复杂材料的组合、高艺术性的异形设计、大荷载的高层构造，引入北斗系统对建筑安全智能监测，实时监测建筑的形变情况，评估其健康状况；将电梯内的地震预警接收终端与地震预警中心连接，实时接收地震预警中心发出的预警信息，提示用户进行合理避险，操纵电梯自动平层就近停靠，保证人员生命财产安全。

2.2 双碳战略的落地实践——智慧能源低碳管控

独角兽岛集中能源站利用区域能源，结合可再生资源综合开发利用，耦合多种传统能源，按多能互补、集中优化原则建设多源协调、多网融合的智慧能源微网，在能源站利用热泵技术制取冷热量，由功能管道网运送至各换热站进行换热，换热后输送至用户末端，提供绿色、低碳、稳定的冷热供给。

此外，汇聚能源数据，实现了园区能耗的统一可视化监测管，为用能企业提供有针对性的用能建设，指导低碳园区建设。同时构建双碳目标管理平台，调整改善园区能源结构所产生的减污降碳协同效应，提高管理的科学性和精准性。独角兽岛数字孪生平台智慧双碳局部态势如图4 所示。

图4 独角兽岛数字孪生平台智慧双碳局部态势图

2.3 园区全生命周期管理——“规、建、运”一体化管控

利用CIM 数字孪生技术实现对独角兽园区的规划设计、建造和运营全生命周期管理，基于数字孪生的规划设计：从全局规划设计的整体展示独角兽岛的设计亮点到外观、环保及理念等多维度展示，实现数字孪生空间与现实空间同步规划、同步设计；在园区建造模块通过集成智慧工地子系统，实现建筑人员精细管控、生长进度推演以及BIM 指导施工，实时反馈独角兽成长历程；在园区运营模块通过园区应急指挥调度、招商营销、综合安防及智慧交通等多维度的数据监测分析，全面展示园区的运行态势，降低人力成本，提高管控效率。

2.4 运营及盈利模式的创新——运营模式数字化转型

在新的经济和商业模式下，企业对园区的设施和管理服务提出了更高的要求。园区的运营和管理模式已不再是简单的空间运营管理，而是转向多元化的运营服务模式。针对企业的痛点，提供个性化服务解决方案，吸引和聚集更多优质企业，增加企业粘性。

对于提升园区品质，实现地产保值增值的需求[9]，首先对空间进行合理规划，增加休闲及文化艺术的空间设施，同时利用智慧化的手段，为园区的招商运营、节能环保赋能。

数据逐渐成为园区的核心资产，数据资产管理是独角兽岛智慧产业园区建设的核心抓手之一。把业务转化为数据并数据资产存储，打通系统间的数据通道，把数据资产真正利用起来，通过分析处理，建立基于运营逻辑的模型，为园区的日常运营管理提供决策支撑[10]。

3 结论与展望

基于CIM 技术的智慧园区的核心价值是通过数字化技术建立高集成度的数据闭环赋能体系，生成园区三维数字虚拟映像空间，全面感知获取园区运行方方面面的动态信息，形成软件定义园区、数据驱动决策和虚实交融的数字孪生园区双体，使得园区服务、运行、规划处设及管理这几方面由实入虚，准确记录、仿真、演化和操控，同时由虚入实，优化物理空间中园区资源要素的配置，形成智慧园区建设和治理新范式。

（1）在技术方面，全面感知和泛在连接是智慧园区未来深度发展融合的重要技术支撑。通过感知连接、边缘计算和云计算等技术，采集人机物事的状态数据和业务数据，汇聚到智慧化平台，实现数据业务的融合及实时分析和决策。基于AI 的园区各项功能可以不断适应、优化和调整，使得园区生命体不断演进和迭代，使得“主动服务”“智能进化”成为未来智慧园区的能力，将“以人为本、绿色高效、业务增值”作为未来发展的根本目标；

（2）在应用方面，园区的管理和运营实现智慧化是未来园区发展的必然趋势。智慧园区监控和管理决策系统建设，充分整合园区内各信息化系统，实现人、物随时随地接入智慧网络，获取智慧园区资源利用、生态环境、园区安全、规划建设、园区管理、能源管理及人员来访的实时数据和信息。使用者足不出户就能身临其境地实时掌握操作园区环境、运营场景及基础设施等的实时状态和利用状况，实现对园区实时动态的感知，提高园区管理水平和服务质量。

综上所述，CIM 技术在智慧园区建设中具有广泛的应用前景和重要的价值意义。基于CIM 的智慧园区在未来将更加注重数字化、网络化和可视化的运营管理，同时将与城市的医疗智慧化、交通智慧化和农业智慧化等方面相互融合，形成一个真正意义上的智慧城市生态系统，为人们创造更加美好的生活。