基于CityGML的城市能源消耗分析與可視化
——瑞典智慧城市案例

李冰蟾，毛 波

(1.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.南京財(cái)經(jīng)大學(xué) 信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210023)

0 引 言

能源是城市運(yùn)行的基礎(chǔ)，特別是隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大，能源的供給、傳輸與消費(fèi)越來(lái)越影響著城市的空氣，水以及土壤環(huán)境，因此，能源消耗分析是城市可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵研究，也是實(shí)現(xiàn)智慧城市的重要課題。目前，能源種類(lèi)多樣化趨勢(shì)越來(lái)越強(qiáng)，新能源技術(shù)及產(chǎn)品，如屋頂光伏發(fā)電、風(fēng)能、新能源汽車(chē)、熱泵、智能電網(wǎng)大范圍采用，隨之而來(lái)的各種補(bǔ)貼、價(jià)格以及市場(chǎng)政策，使得城市能源消耗分析的復(fù)雜性大幅提高。而現(xiàn)有的主要分析手段，是針對(duì)單獨(dú)能源種類(lèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的，如電力、天然氣等，缺乏對(duì)城市多種能源的集成分析，這就難以反映城市能源消耗的整體狀況，因此，建立綜合性城市能源分析框架，對(duì)于改進(jìn)城市規(guī)劃，能源投資利用以及公眾交流都具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

城市作為復(fù)雜的綜合體，其地上地下三維特征突出，因此，要實(shí)現(xiàn)對(duì)城市的準(zhǔn)確能源消耗分析，必須要建立在城市三維模型基礎(chǔ)之上。在城市三維模型領(lǐng)域，CityGML作為較為廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)，在城市形態(tài)表征及其語(yǔ)義描述方面具有良好的特性，且支持對(duì)于應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展。因此，采用CityGML實(shí)現(xiàn)城市能源消耗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化管理與共享，對(duì)于提高分析工具的可重用性具有重要意義。目前，已有多個(gè)城市推出了其官方三維模型數(shù)據(jù)，其中柏林，哥本哈根等都采用CityGML作為官方模型標(biāo)準(zhǔn)。雖然目前已經(jīng)發(fā)布的模型在精細(xì)度、語(yǔ)義豐富性上還具有較大的欠缺，但隨著數(shù)據(jù)采集和融合工作的深入，標(biāo)準(zhǔn)化城市三維模型將成為多種應(yīng)用的支撐基礎(chǔ)，其中就包括城市能源消耗分析。

瑞典作為全球能源高效利用的先進(jìn)國(guó)家，其首都斯德哥爾摩的哈默比新區(qū)（Hammarby Sj?stad）是一個(gè)以全新生態(tài)概念規(guī)劃建立的友好型社區(qū)，該區(qū)原本是一個(gè)破敗的工業(yè)城區(qū)，有著嚴(yán)重的污染問(wèn)題。20世紀(jì)90年代初，為了爭(zhēng)取奧運(yùn)會(huì)的舉辦權(quán)，斯德哥爾摩市政府聯(lián)合幾個(gè)大的地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商，進(jìn)行該區(qū)的重建，并且堅(jiān)持以可持續(xù)發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)持續(xù)著創(chuàng)新變革。目前哈默比新區(qū)已經(jīng)成為全球城市可持續(xù)發(fā)展的樣板。在此基礎(chǔ)上斯德哥爾摩市政府積極推進(jìn)城市能源消耗分析技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，并以哈默比新區(qū)作為示范區(qū)域，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的落地應(yīng)用與效果檢測(cè)。本文作者目前正在參與該能源消耗分析決策工具的開(kāi)發(fā)，將通過(guò)本文介紹在歐洲智慧城市建設(shè)的相關(guān)實(shí)踐，主要包括相關(guān)工作研究，基于CityGML的能源消耗模擬與分析框架以及分析結(jié)果可視化展示。

1 相關(guān)研究

能源消耗模擬分析。城市能源模擬涉及多種學(xué)科領(lǐng)域，包括氣象、電力、熱力、材料、建筑、經(jīng)濟(jì)等，是一項(xiàng)復(fù)雜的工程。為此，研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了相關(guān)的通用模擬系統(tǒng)套件，并支持模塊擴(kuò)展。一般的，能源消耗模擬涉及能源需求模型，資源模型以及經(jīng)濟(jì)價(jià)格模型。目前已經(jīng)有多種較為成熟的軟件用于分析能源需求與資源模型，包括Eneryg Plus、 TRNSYS、energy hubs、 CitySIM等。Eneryg Plus[1]是美國(guó)能源部資助開(kāi)發(fā)的大型能耗分析計(jì)算軟件，基于動(dòng)態(tài)負(fù)荷理論，采用反應(yīng)系數(shù)法，能對(duì)建筑物及相關(guān)的供熱、通風(fēng)和空調(diào)設(shè)備能耗進(jìn)行模擬計(jì)算。目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的建筑能耗模擬分析，但Energy Plus不具備友好的用戶(hù)界面，主要作為模擬內(nèi)核由專(zhuān)業(yè)程序開(kāi)發(fā)人員編程使用，這大大限制了它的通用性與易用性[2-3]。TRNSYS[4]是一款商業(yè)能源模擬軟件，其模塊具有可擴(kuò)展性，特別是在太陽(yáng)能系統(tǒng)和建筑節(jié)能方面，有著廣泛和完善的應(yīng)用場(chǎng)景. CitySIM[5]則在城市宏觀范圍內(nèi)，提供了對(duì)城市能源等多種指標(biāo)進(jìn)行整體模擬的系統(tǒng)。energy hubs[6]能夠?qū)崿F(xiàn)多種能源的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)與傳輸?shù)募煞治?。要精確模擬城市能源消耗，需要城市三維模型的支撐。

目前存在著多種城市三維模型。在建筑物層面，主要涉及BIM(Building Information Model)模型，包括IFC(Industry Foundation Class)和gbXML(green building XML)兩種標(biāo)準(zhǔn)描述格式，其中IFC主要用于描述建筑物及建筑行業(yè)的數(shù)據(jù)，而gbXML則主要用于在不同的設(shè)計(jì)與模擬軟件之間共享建筑物信息。在城市尺度，目前已經(jīng)有的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)主要包括CityGML與INSPIRE(Infrastructure for Spatial Information in the European Community)[7]。前者是OGC三維城市模型標(biāo)準(zhǔn)，而后者則是歐盟范圍內(nèi)的一個(gè)空間數(shù)據(jù)描述標(biāo)準(zhǔn)。相比而言，CityGML在城市及區(qū)域尺度更加方便，而INSPIRE則側(cè)重于國(guó)家/洲際這樣更大的尺度。此外在能源模型支持方面，gbXML也廣泛應(yīng)用于建筑物尺度的能耗數(shù)據(jù)分析與交互，但在城市尺度，截至2016年還缺乏國(guó)際通用的能耗表示標(biāo)準(zhǔn)，CityGML與INSPIRE也缺乏對(duì)能耗的系統(tǒng)性描述。盡管如此，CityGML作為一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，支持領(lǐng)域擴(kuò)展（Application Domain Extensions ADE）。在能耗分析領(lǐng)域，Energy ADE[8]與UtitltyNetwork ADE[9]可以用來(lái)描述城市尺度的能源管網(wǎng)，能源需求與消耗，建筑物能耗指標(biāo)等語(yǔ)義信息。

為了實(shí)現(xiàn)城市能耗分析數(shù)據(jù)的快速共享與三維交互可視化，需要在線(xiàn)三維可視化框架的支持。隨著瀏覽器能力的提升，直接在瀏覽器內(nèi)展示三維內(nèi)容已經(jīng)成為可能。新一代網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)HTML5已經(jīng)將三維可視化標(biāo)準(zhǔn)WebGL作為其原生內(nèi)容之一。目前基礎(chǔ)的瀏覽器三維可視化策略是直接采用WebGL進(jìn)行開(kāi)發(fā)，主要的瀏覽器包括Chrome、Firefox、Safari以及IE都支持WebGL，基于WebGL的可視化結(jié)果可以在這些瀏覽器內(nèi)實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)顯示。由于WebGL標(biāo)準(zhǔn)涉及底層三維開(kāi)發(fā)，因此基于WebGL，出現(xiàn)了X3DOM、Threejs等三維可視化庫(kù)，他們提供了更高級(jí)別的可視化接口，支持直接定義多邊形、紋理、光照、背景等。相比于WebGL，降低了難度，但這些可視化庫(kù)針對(duì)通用三維展示開(kāi)發(fā)，缺乏對(duì)GIS的支持。在GIS支持方面，Cesium是一個(gè)基于WebGL的在線(xiàn)三維可視化平臺(tái)，其具有良好的GIS支持特性，類(lèi)似開(kāi)源的網(wǎng)頁(yè)版本谷歌地球，可以實(shí)現(xiàn)2D、3D的地理數(shù)據(jù)可視化，并支持多種地圖服務(wù)（WMTS），實(shí)現(xiàn)多層數(shù)據(jù)疊加。目前Cesium已經(jīng)用于多種在線(xiàn)地理信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[10]。

2 系統(tǒng)框架

在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方面，項(xiàng)目組提出了一種基于三維城市標(biāo)準(zhǔn)模型的能源消耗分析與可視化系統(tǒng)，包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集成、能源模擬系統(tǒng)以及結(jié)果可視化3個(gè)主要部分。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集成

針對(duì)三維城市能源消耗分析要求，需要集成能源生產(chǎn)、傳輸、消耗數(shù)據(jù)，為此，CityGML標(biāo)準(zhǔn)作為城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，可以提供包括建筑物、道路交通、綠地水體、橋梁隧道等城市基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)，同時(shí)通過(guò)應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)對(duì)能源消耗數(shù)據(jù)的支持。目前主要采用Energy ADE與UtilityNetwork ADE。

Energy ADE由國(guó)際化的城市能源模擬開(kāi)發(fā)者與用戶(hù)在2014年5月發(fā)起，旨在擴(kuò)展CityGML2.0，支持標(biāo)準(zhǔn)化存儲(chǔ)交換能源相關(guān)的指標(biāo)與屬性。該擴(kuò)展主要針對(duì)建筑物的物理特性與系統(tǒng)，同時(shí)可以支持多節(jié)點(diǎn)互聯(lián)互通，從而實(shí)現(xiàn)城市級(jí)別模擬數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。Energy ADE主要包括熱力數(shù)據(jù)模塊、建筑與材料模塊、建筑物物理特性模塊、能源占用模塊、能源系統(tǒng)模塊5個(gè)主要部分。

UtilityNetwork ADE則定義了一個(gè)一個(gè)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)模型，以支持對(duì)公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)以及能源提供基礎(chǔ)設(shè)施的分析與模擬。該ADE包括一個(gè)核心模塊以及一系列擴(kuò)展模塊構(gòu)成，如網(wǎng)絡(luò)組建、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和產(chǎn)品、中空空間、特殊材料等。核心模塊主要定義了基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)建模相關(guān)的類(lèi)與概念，實(shí)現(xiàn)了將三維公共事業(yè)網(wǎng)絡(luò)嵌入并關(guān)聯(lián)到三維城市環(huán)境中。在此基礎(chǔ)上，網(wǎng)絡(luò)組件定義了傳輸、設(shè)備、功能、終端、保護(hù)等多種組件。網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和產(chǎn)品則定義了水、液化氣、電力，以及太陽(yáng)能等類(lèi)型，用于描述公共事業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的傳輸介質(zhì)。

通過(guò)基于CityGML及其擴(kuò)展ADE的支持，可以對(duì)城市能源及其相關(guān)設(shè)施進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化描述，這對(duì)于提高后續(xù)模擬系統(tǒng)的可用性具有重要意義。

2.2 能源消耗模擬

基本參數(shù)獲取。城市能源消耗基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是以CityGML及其擴(kuò)展形式存儲(chǔ)的，該方式支持文件與數(shù)據(jù)庫(kù)以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等多種存儲(chǔ)獲取方式。然而要將這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為能源消耗模擬軟件的輸入，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)提取與轉(zhuǎn)換。這些參數(shù)在模擬過(guò)程中是不變的，預(yù)先存儲(chǔ)于文件或數(shù)據(jù)庫(kù)中，根據(jù)實(shí)際模擬需求進(jìn)行獲取。

輸入變量。對(duì)于每個(gè)能源消耗模型，需要設(shè)定一個(gè)時(shí)變的輸入，以反映環(huán)境狀況，如居住狀況，當(dāng)?shù)貧夂?，能源價(jià)格等。這些變量數(shù)據(jù)是由能源模擬環(huán)境根據(jù)用戶(hù)設(shè)定或通過(guò)其他接口獲取的，通過(guò)對(duì)輸入數(shù)據(jù)的調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)多種方案模擬結(jié)果在不同環(huán)境下的比較。

模擬功能。對(duì)于能源消耗模擬軟件而言，其中的模型可以支持多種功能，用于對(duì)預(yù)設(shè)定參數(shù)和輸入變量進(jìn)行不同粒度的分析，其速度、準(zhǔn)確度、復(fù)雜度各有區(qū)別，因此在模擬之初需要預(yù)先選定合適的供模擬功能，從而快速獲取可用結(jié)果。此外在有些情況下，還需要對(duì)某些復(fù)雜分析功能采用簡(jiǎn)化和替代算法，從而能夠支持快速的用戶(hù)結(jié)果反饋。因此模擬功能是系統(tǒng)分析的一個(gè)核心部分，不同的實(shí)現(xiàn)會(huì)產(chǎn)生不同的結(jié)果，需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行合理配置。

結(jié)果輸出。模擬的結(jié)果輸出是時(shí)序數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可以在集成模擬環(huán)境中的模擬器之間進(jìn)行交換，即一個(gè)模型的輸出可以作為另一個(gè)模型的輸入。如果有必要，模型輸出結(jié)果也可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)分析或通過(guò)可視化方式展示給終端用戶(hù)。

準(zhǔn)確度調(diào)整。準(zhǔn)確度分析包括：模擬過(guò)程的細(xì)節(jié)層次、線(xiàn)性/迭代模擬、時(shí)間跨度、輸出的錯(cuò)誤閾值等。通過(guò)準(zhǔn)確度調(diào)整，可以控制模擬過(guò)程的精度、速度與范圍，從而支持多種應(yīng)用環(huán)境。此外，對(duì)于每個(gè)模型，需要與其他類(lèi)似模型的結(jié)果進(jìn)行交叉驗(yàn)證，從而確定模型的準(zhǔn)確度與實(shí)驗(yàn)精度。

2.3 在線(xiàn)可視化

能源消耗分析結(jié)果三維可視化方面，目前并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的方案，考慮到分析結(jié)果的多樣性與用戶(hù)需求的可變性，項(xiàng)目組提出一種基于視覺(jué)變量映射的能源消耗分析在線(xiàn)可視化方法，如圖1所示。

該方法主要包括以下3個(gè)方面。

圖1 基于視覺(jué)變量映射的能源消耗可視化Fig.1 Energy consumption visualization based on visual variables

1）針對(duì)城市三維模型，基于三維視覺(jué)變量原理，自動(dòng)或手動(dòng)提取該模型的幾何、紋理與分布視覺(jué)變量；其中，幾何視覺(jué)變量包括了位置、朝向、高度、透明度等視覺(jué)變量要素；紋理視覺(jué)變量包括紋理、顏色、亮度、陰影等視覺(jué)變量要素；分布則涉及密度、位置、朝向等要素。該視覺(jué)變量體系不是固定的，根據(jù)不同的能源消耗分析應(yīng)用需求，視覺(jué)變量體系的內(nèi)容需要做相應(yīng)的擴(kuò)充。

2）適應(yīng)能源消耗可視化的城市三維模型視覺(jué)變量參數(shù)化重建。基于能源消耗顯示策略與三維模型視覺(jué)變量耦合機(jī)理，構(gòu)建視覺(jué)變量要素及其相應(yīng)的細(xì)節(jié)層次的自動(dòng)選擇、簡(jiǎn)化、增強(qiáng)與融合機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)基于視覺(jué)變量參數(shù)渲染的城市三維模型非仿真可視化與自動(dòng)綜合。通過(guò)將能源消耗分析結(jié)果映射到三維城市模型視覺(jué)變量中，實(shí)現(xiàn)能源分析結(jié)果的可視化。如可以用顏色、面積或高度來(lái)表示建筑物的能耗指標(biāo)，通過(guò)對(duì)不同視覺(jué)變量可視化結(jié)果的比較，實(shí)現(xiàn)展示結(jié)果優(yōu)化。

3）基于Cesium的參數(shù)化城市三維模型快速可視化原型與用戶(hù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)?；贑esium實(shí)現(xiàn)能源分析結(jié)果在線(xiàn)可視化，并以此平臺(tái)開(kāi)展用戶(hù)反饋調(diào)查研究，結(jié)合認(rèn)知學(xué)理論，深入分析能源消耗模擬的三維可視化結(jié)果對(duì)時(shí)空行為的適應(yīng)性，并實(shí)際檢驗(yàn)所提的可視化方法的有效性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

目前項(xiàng)目已經(jīng)展開(kāi)全面研究，獲取了初步的成果，搭建了基于Cesium的數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)。以下是部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果。項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)區(qū)域如圖2所示。該區(qū)域是瑞典一個(gè)先進(jìn)的城市開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，整體建設(shè)始于2000年，整個(gè)工程將于2020年完工，屆時(shí)將容納25000居民。該項(xiàng)目由于其在可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃與實(shí)踐方面的創(chuàng)新，贏得了全世界的矚目。整個(gè)區(qū)域按照整體設(shè)計(jì)，住房只是其中的一個(gè)部分。項(xiàng)目綜合集成了供熱、交通、廢物回收多個(gè)系統(tǒng)，從而降低了整個(gè)區(qū)域的能源消耗與長(zhǎng)期維護(hù)成本。

圖2 實(shí)驗(yàn)區(qū)域：瑞典斯德哥爾摩哈默比新區(qū)Fig.2 Test area: Hammarby Stockholm Sweden

目前項(xiàng)目已經(jīng)集成了哈默比新區(qū)的電力、熱力、交通、建筑物等相關(guān)信息，并按照論文所提出的模式實(shí)現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)的可視化。目前系統(tǒng)支持geojson、gltf等格式的矢量數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以提供wmts格式的柵格數(shù)據(jù)集成可視化。圖3給出一個(gè)初步的集成可視化結(jié)果。

圖3 基于Cesium的能源數(shù)據(jù)集成可視化Fig.3 Integrated visualization of energy datasets using Cesium

4 結(jié)束語(yǔ)

三維城市模型作為城市基礎(chǔ)信息的重要組成部分已經(jīng)不僅局限于對(duì)城市形象的展示，目前越來(lái)越多的模擬分析需要建立在三維城市模型之上。本文就歐盟在城市能源消耗模擬應(yīng)用中如何使用三維城市模型這一研究課題進(jìn)行了基本的介紹，并給出了相關(guān)的系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)方案與體系架構(gòu)。初步的研究成果顯示，CityGML作為目前最為廣泛使用的城市級(jí)別三維模型標(biāo)準(zhǔn)，其可擴(kuò)展性對(duì)于行業(yè)應(yīng)用具有較好的支持，同時(shí)采用Cesium作為可視化平臺(tái)，能夠大幅降低開(kāi)發(fā)難度提高應(yīng)用的可獲得性。目前相關(guān)研究還在持續(xù)進(jìn)行中，可以說(shuō)比較能夠代表歐洲在三維城市領(lǐng)域的探索方向，對(duì)國(guó)內(nèi)相關(guān)研究也具有一定的借鑒意義。

致謝

本文得到國(guó)家自然基金(41671457)，江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目 16KJA170003，江蘇省自然科學(xué)基金（BK20151551）江蘇省高校優(yōu)秀中青年教師和校長(zhǎng)境外研修計(jì)劃以及江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目資助。