數(shù)字孿生CIM平臺在黃帝故里景區(qū)應(yīng)用研究

祁 迪 吳 范

(中鐵十五局集團電氣化工程有限公司 上海 201605)

1 引言

進入二十一世紀以來，我國國民精神文明建設(shè)進入快速發(fā)展期，旅游業(yè)規(guī)模不斷提升，其在經(jīng)濟發(fā)展中的地位愈發(fā)明顯。隨著智慧城市理念的提出，景區(qū)管理者逐漸把目光投向通過物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化等手段進行景區(qū)更新、歷史文化保護、景區(qū)管理方面。如何通過新技術(shù)手段進行景區(qū)管理，使景區(qū)保護與發(fā)展攜手同進，在此背景下，“智慧景區(qū)”建設(shè)應(yīng)運而生[1]。

黃帝故里核心景區(qū)以國家旅游局對旅游信息化建設(shè)的要求為指導(dǎo)，以先進信息技術(shù)為依托，結(jié)合景區(qū)實際，建立以數(shù)字孿生CIM平臺為核心的管理服務(wù)、營銷、生態(tài)保護三大體系，使景區(qū)由傳統(tǒng)管理模式轉(zhuǎn)變?yōu)橹腔刍芾砟Ｊ剑兎稚閰f(xié)同、變多級為扁平化、變粗放為精細，實現(xiàn)“資源保護智慧化、經(jīng)營管理智能化、產(chǎn)業(yè)整合網(wǎng)絡(luò)化”，樹立先進的管理和科技旅游品牌[2]。

2 數(shù)字孿生平臺建設(shè)背景

BIM技術(shù)在基建領(lǐng)域逐漸趨于成熟，人民對城市、旅游信息化建設(shè)需求日益增加，在此基礎(chǔ)之上更進一步的CIM平臺展現(xiàn)出強大生命力。2019年至2020年，我國CIM相關(guān)招標數(shù)量為24個，到2021年9月達到96個，總金額達20.16億元。相較于國內(nèi)，國外在基建領(lǐng)域?qū)IM技術(shù)的研究仍處于滯后階段[3]。

3 數(shù)字孿生平臺定義

數(shù)字孿生CIM平臺基于數(shù)字孿生理念，借鑒并融合3D可視化和CIM(城市實時信息模型)兩種技術(shù)，依托園區(qū)真實全景，建立線上三維智慧園區(qū)，1∶1還原園區(qū)內(nèi)部景觀及建筑樓層內(nèi)部結(jié)構(gòu)。實時接入設(shè)備采集數(shù)據(jù)，直觀地呈現(xiàn)園區(qū)內(nèi)部設(shè)備工作狀態(tài)和設(shè)備實時數(shù)據(jù)，包括設(shè)備的基礎(chǔ)信息、客流出入數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)生產(chǎn)運營可視化分析。用戶也可通過三維可視化平臺與設(shè)備聯(lián)動，實時了解園區(qū)情況，實現(xiàn)一定程度上的平臺設(shè)備反控，最大程度的達到“可視”“可管”“可控”目標，最終達到高效、安全、智能等目的，為實現(xiàn)“一屏化管理”奠定基礎(chǔ)。

3.1 數(shù)字孿生理念

數(shù)字孿生理念通過物聯(lián)感知操控、全要素數(shù)字化表達、可視化呈現(xiàn)、模擬仿真推演等，凸顯數(shù)字孿生價值和突出精準映射、虛實交互、軟件定義、智能干預(yù)等核心要素，形成數(shù)字孿生的“能力空間”。數(shù)字孿生技術(shù)能在虛擬網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)平臺基礎(chǔ)上提供一個可視化數(shù)據(jù)平臺，通過對目標的數(shù)字化模擬，使設(shè)備參數(shù)及運營過程展示于眼前。

3.2 3D可視化

3D可視化是一種表征形式，對數(shù)據(jù)體屬性進行分析，通過適合的描述方式，將方便分析與理解的數(shù)據(jù)進行展示。在黃帝故里數(shù)字孿生CIM平臺建設(shè)中，3D可視化理念主要體現(xiàn)在三維地圖瀏覽、可視化查詢、空間查詢、多形式級別渲染、地下管線三維仿真渲染中[4]。

3.3 CIM

CIM中文名為城市信息模型，基于建筑信息模型、地理信息系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，可整合城市內(nèi)外、過去及未來多維度數(shù)據(jù)，是智慧城市最終表現(xiàn)形式。

4 數(shù)字孿生平臺組成

數(shù)字孿生CIM平臺主要由軟件系統(tǒng)構(gòu)架和硬件設(shè)施搭設(shè)兩部分組成，通過設(shè)計好的園區(qū)網(wǎng)絡(luò)進行聯(lián)通，確保用戶能使用云平臺與各物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進行交互[5]。

4.1 軟件系統(tǒng)構(gòu)架

園區(qū)平臺軟件系統(tǒng)構(gòu)架由上至下分為技術(shù)層、視覺表現(xiàn)層、功能交互層、數(shù)據(jù)接口層、拓展層五個層級，見圖1。

技術(shù)層采用B/S型兼容性強、可跨平臺操作的架構(gòu)，建?；赪ebGL技術(shù)，采用ZTMap3D可視化引擎實現(xiàn)模型編譯，將三維模型嵌套在HTML網(wǎng)頁，最終呈現(xiàn)于大屏幕。

視覺表現(xiàn)層通過建模素材對設(shè)備進行線上仿真建模，并對模型進行統(tǒng)一規(guī)范化處理，以便后續(xù)導(dǎo)入模型庫實現(xiàn)項目擴展。

功能交互層的主要內(nèi)容是對反控功能和JS點擊事件的描述。反控功能可實現(xiàn)虛擬世界到物理世界的映射；JS點擊事件功能可使用戶擁有一個良好操作體驗感，對整個場景的縮放及鏡頭聚焦、菜單切換，通過已設(shè)計好的不同應(yīng)用場景，更加直觀地展示用戶所需數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)接口層采用WebScoket協(xié)議，通過后臺接口數(shù)據(jù)的傳輸，形成整個數(shù)據(jù)鏈路流通閉環(huán)。共劃分為4個步驟，即三維渲染、系統(tǒng)前端展示、數(shù)據(jù)交互、三維目標。

拓展層的核心業(yè)務(wù)是通過可視化編輯器快速設(shè)置大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。通過編輯數(shù)據(jù)導(dǎo)出的JSON格式場景數(shù)據(jù)，包含三維模型地址(或編號)、設(shè)定位置、朝向方位、縮放大小、編號、類別、簡介等信息，可手動復(fù)制到新項目中用于新建的數(shù)字孿生項目，也可保存到用戶后臺數(shù)據(jù)庫中。

4.2 硬件設(shè)施搭設(shè)內(nèi)容

園區(qū)平臺硬件設(shè)施主要包含:各業(yè)務(wù)管理服務(wù)器、均衡服務(wù)器、CVR存儲服務(wù)器、核心交換機、匯聚交換機、接入交換機、網(wǎng)絡(luò)控制器、終端計算機操作臺、AP、子系統(tǒng)終端設(shè)備(廣播、LED信息發(fā)布屏、門禁、照明控制器、管道監(jiān)測探頭等)、各類電力通信線纜等。

4.3 園區(qū)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

園區(qū)平臺網(wǎng)絡(luò)分為園區(qū)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備網(wǎng)絡(luò)兩部分。通過綜合布線、網(wǎng)絡(luò)控制器和各級交換機，園區(qū)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⒔K端計算機、AP連接到互聯(lián)網(wǎng)上；設(shè)備網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)V播、監(jiān)控、門禁等子系統(tǒng)連接到其對應(yīng)的業(yè)務(wù)管理服務(wù)器上。園區(qū)平臺網(wǎng)絡(luò)是黃帝故里數(shù)字孿生CIM平臺能夠監(jiān)測、控制各個終端設(shè)備的物理基礎(chǔ)。

為實現(xiàn)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，按照以下原則進行設(shè)計:通過網(wǎng)絡(luò)控制器對有線網(wǎng)、無線網(wǎng)進行統(tǒng)一管理:無線網(wǎng)絡(luò)使用Wi-Fi 6 AP，實現(xiàn)室內(nèi)外場景全覆蓋；園區(qū)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備網(wǎng)絡(luò)物理隔離；核心交換機雙機冗余。網(wǎng)絡(luò)拓撲見圖2、圖3。

5 數(shù)字孿生平臺業(yè)務(wù)功能

數(shù)字孿生CIM平臺將業(yè)務(wù)功能劃分為綜合分析、智慧應(yīng)用、應(yīng)急指揮、智慧物業(yè)、景區(qū)營銷、地下管線六個版塊(見圖4)，作為園區(qū)的指揮中心，數(shù)字孿生CIM平臺監(jiān)測維護著整個園區(qū)的運行狀態(tài)。

5.1 綜合分析

綜合分析囊括熱門景點排名、設(shè)備告警頻次分析、景區(qū)進出通道實時數(shù)據(jù)分析、安防事件高發(fā)時段分析、廁所人流時段分析、景區(qū)客流來源分析等功能(見圖5)。

5.2 智慧應(yīng)用

通過平臺實現(xiàn)3D多場景、多視角應(yīng)用，全園區(qū)可通過創(chuàng)建不同的場景進行管理，也可以一站式管理方式實現(xiàn)園區(qū)信息跨地理(景區(qū)遠程集中監(jiān)控)的可視化展示。

智慧應(yīng)用共計包含12個功能，本文著重對五個子功能進行描述(見圖6)。

5.2.1 智慧安防

在黃帝故里景區(qū)數(shù)字孿生系統(tǒng)中，結(jié)合智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可以直觀展示景區(qū)內(nèi)攝像頭的空間布局及工況，實現(xiàn)人員軌跡追蹤、人流量熱力圖、重點區(qū)域監(jiān)控、異常行為識別、出入口體溫監(jiān)測。單點、多點選中可出實時視頻或視頻墻顯示；支持展示攝像頭告警快速定位，便于管理人員快速了解告警信息，迅速采取措施[6]。

5.2.2 智慧消防

通過三維場景將景區(qū)結(jié)構(gòu)、內(nèi)部樓層分布、疏散通道、疏散出口的分布以及消防控制中心位置和室內(nèi)外消防設(shè)施具體分布進行顯現(xiàn)，在景區(qū)發(fā)生突發(fā)事故時可通過系統(tǒng)準確找到該場所具體位置，掌握內(nèi)部消防布局情況，通過視頻監(jiān)控、五方通話和公共廣播及時對事發(fā)區(qū)域進行人員疏散[7]。

5.2.3 智慧告警

可以通過電子地圖展現(xiàn)入侵報警設(shè)備分布情況，在電子地圖上鼠標指向入侵報警設(shè)備圖標，可顯示位置、名稱等信息，報警后彈出地圖，并顯示定位位置。

5.2.4 環(huán)境監(jiān)測

電子地圖實時展示采集設(shè)備的位置信息；實時監(jiān)測前端采集設(shè)備狀態(tài)，包括在線、離線狀態(tài)；可設(shè)置報警閾值，報警后地圖彈出視頻圖像，并定位位置；實時顯示環(huán)境溫濕度、PM2.5值、噪聲值；支持與其他系統(tǒng)做聯(lián)動關(guān)系[8]。

5.2.5 客流分析

對接票務(wù)系統(tǒng)，獲取游客出入實時數(shù)據(jù)；游客密度超過設(shè)定范圍時，聯(lián)動相關(guān)安保系統(tǒng)及相關(guān)應(yīng)急指揮預(yù)案；各重要場館可實時顯示客流密度情況；分析統(tǒng)計游客性別等畫像數(shù)據(jù)；分析統(tǒng)計不同時段和日期游客數(shù)量特征。

5.3 應(yīng)急指揮

5.3.1 綜合調(diào)度

綜合調(diào)度管理在數(shù)字化應(yīng)急預(yù)案基礎(chǔ)上，集智能安防系統(tǒng)集成，實現(xiàn)應(yīng)急處置過程中的系統(tǒng)聯(lián)動、輔助決策功能。

5.3.2 警情研判

對景區(qū)安全風(fēng)險進行評估，建立預(yù)警機制，及時發(fā)布預(yù)警通報，通知保安實施危機干預(yù)。綜合評估可根據(jù)平臺分析評測模型、危險類型得出分析結(jié)果[9]。

5.3.3 預(yù)案管理

結(jié)合視頻監(jiān)控、公共廣播等系統(tǒng)的調(diào)度，為應(yīng)急指揮提供既定調(diào)度方案。

實現(xiàn)對各景區(qū)各種預(yù)案的查閱、修訂、刪除等操作。管理人員可以對預(yù)案內(nèi)容進行合理更改，完成后重新分類歸檔。

5.3.4 應(yīng)急演練

演練管理菜單可以提升處置突發(fā)事件的能力。同時平臺通過對各類應(yīng)急處置預(yù)案的反復(fù)演練，不斷完善處置流程，得出更為合理、更近實戰(zhàn)的應(yīng)急預(yù)案，提高各類預(yù)案的實用性。

5.3.5 處置歸檔

管理人員可通過平臺查看應(yīng)急預(yù)案處置詳情，包括關(guān)聯(lián)的應(yīng)急預(yù)案類型、負責(zé)部門、聯(lián)動設(shè)備、處置人員及處置方法等信息。

5.4 智慧物業(yè)

包含維修管理、巡檢管理、工單管理、設(shè)備維護四個部分，實現(xiàn)園區(qū)線上叫號、有序派單，從而使園區(qū)運維暢通無阻(見圖7)[10]。

5.5 景區(qū)營銷

景區(qū)各項景觀三維圖像通過網(wǎng)絡(luò)支持跨終端展示；同時支持在景區(qū)設(shè)備網(wǎng)和整個互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)頁上同步發(fā)布展示，并實現(xiàn)VR瀏覽體驗(見圖8)。

5.6 地下管線

根據(jù)地下管線CAD圖紙自動生成三維模型，并通過平臺直觀顯示園區(qū)整個管網(wǎng)。其他功能包括地下管線三維仿真渲染、管線基本屬性信息查詢展示、管線監(jiān)測數(shù)據(jù)對接顯示、管線維修狀態(tài)信息查詢展示。

6 結(jié)束語

關(guān)于數(shù)字孿生CIM平臺的學(xué)術(shù)研究尚處于早期階段，我國基建領(lǐng)域率先開啟了多項基于CIM的實踐，但多集中于報批報建、智能制造、城市運行管理等領(lǐng)域，針對前期規(guī)劃的探索成果尚不突出[11]。

黃帝故里數(shù)字孿生CIM平臺開啟了基于CIM建設(shè)智慧城市的孿生數(shù)字基底思路，本文重點闡述在應(yīng)用階段的實戰(zhàn)成果，以期為智慧城市發(fā)展提供新的參考[12]。