智慧園區(qū)三維數(shù)字化建設(shè)的探討與設(shè)計(jì)

姚惠云

(江蘇省基礎(chǔ)地理信息中心，江蘇 南京 210013)

0 引言

園區(qū)管理是全方位、多層次的管理。隨著IoT、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，智慧園區(qū)似乎又一次成為科技界關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。目前，各式各樣的產(chǎn)業(yè)園區(qū)、服務(wù)園區(qū)、物流園區(qū)項(xiàng)目層出不窮，但園區(qū)的智慧化還處在不斷提升過(guò)程中。數(shù)字孿生應(yīng)用技術(shù)是融合了數(shù)據(jù)采集、物聯(lián)感知、模擬仿真等多個(gè)領(lǐng)域成果形成的系統(tǒng)性工程，這也是近幾年各行業(yè)數(shù)字化發(fā)展的趨勢(shì)[2]。本文基于數(shù)字孿生技術(shù)，分析智慧園區(qū)管理需求并提出設(shè)計(jì)思路，為園區(qū)的智慧管理提供一些參考。

1 需求分析

首先，園區(qū)的合理規(guī)劃十分必要。中國(guó)很多智慧園區(qū)都存在著急上馬、噱頭當(dāng)先的問(wèn)題，如何圍繞園區(qū)生態(tài)化、功能化、結(jié)構(gòu)化、專業(yè)化、特色化等因素合理布局以實(shí)現(xiàn)園區(qū)資源最優(yōu)化配置，是園區(qū)“智慧”的起點(diǎn)與難點(diǎn)[3-4]。園區(qū)全生命周期的核心需求，毫無(wú)疑問(wèn)是安全問(wèn)題?，F(xiàn)在很多園區(qū)在使用傳感器、智能攝像頭等感知設(shè)備后開(kāi)始“吐槽”，重點(diǎn)問(wèn)題包括成本高、覆蓋率低、后端報(bào)警機(jī)制弱、事前干預(yù)比較空白等方面。

針對(duì)上述需求，必須構(gòu)建一個(gè)接近于真實(shí)場(chǎng)景的園區(qū)空間數(shù)字化底板，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展園區(qū)資源設(shè)計(jì)、布局、配置等規(guī)劃工作。

其次，提升智能監(jiān)測(cè)水平也是重中之重，重點(diǎn)關(guān)注成本、監(jiān)測(cè)覆蓋率和監(jiān)測(cè)預(yù)警方面的問(wèn)題。目前，數(shù)字孿生指出對(duì)全要素和全過(guò)程的數(shù)字化映射、智能化模擬，實(shí)現(xiàn)與物理流域同步仿真運(yùn)行、虛實(shí)交互、迭代優(yōu)化，為解決智慧園區(qū)建設(shè)提供了新思路。

2 數(shù)字底座設(shè)計(jì)

一個(gè)園區(qū)的智慧建設(shè)，需要掌握建筑、道路、橋梁、綠化、水體、基礎(chǔ)設(shè)施、地下管線等各類(lèi)實(shí)體物理對(duì)象的運(yùn)行態(tài)勢(shì)。因此，需要一個(gè)“數(shù)字底座”，針對(duì)整個(gè)園區(qū)各地理要素的結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)統(tǒng)一格式、統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)、一致性處理和空間化處理。

2.1 實(shí)景三維場(chǎng)景

采用無(wú)人機(jī)飛行拍攝的方式開(kāi)展傾斜攝影工作，經(jīng)過(guò)空域申請(qǐng)、測(cè)區(qū)踏勘、像控點(diǎn)布設(shè)、航線設(shè)計(jì)、外業(yè)航飛后獲得傾斜影像，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、空三解算、精度優(yōu)化、三維建模、模型精修等一系列工作后，生成園區(qū)范圍內(nèi)高分辨率高精度的傾斜攝影三維實(shí)景模型[5]。模型數(shù)據(jù)涵蓋了園區(qū)的地形地貌特征，包括建筑物、道路、綠化、水系、基礎(chǔ)設(shè)施等地上各行業(yè)要素的外部現(xiàn)狀場(chǎng)景。

2.2 建筑物室內(nèi)結(jié)構(gòu)

通過(guò)BIM技術(shù)/激光點(diǎn)云手段仿真模擬各種工程建筑的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，滿足內(nèi)部可視化、整體協(xié)調(diào)性、數(shù)據(jù)模擬性、功能優(yōu)化性等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了傾斜攝影技術(shù)無(wú)法獲取建筑物內(nèi)部信息的缺點(diǎn)[6]。

2.3 地下管線模型

收集并整合園區(qū)范圍內(nèi)地下管線的施工、竣工資料，包括給水類(lèi)、排水類(lèi)、弱電類(lèi)、供電電纜、燃?xì)怆娎|等。根據(jù)各類(lèi)管線點(diǎn)和管線段的特點(diǎn)，通過(guò)空間、屬性和材質(zhì)信息映射實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)生成地下管線三維模型[7]。地下管線三維模型的高程信息可由傾斜攝影制作的DEM數(shù)據(jù)擬合確定，通過(guò)程序自動(dòng)控制匹配以實(shí)現(xiàn)地上地下三維模型的無(wú)縫集成。

2.4 城市部件模型

針對(duì)園區(qū)范圍內(nèi)的城市部件，結(jié)合外業(yè)測(cè)量與內(nèi)業(yè)處理手段獲取城市部件位置坐標(biāo)，可選擇二維點(diǎn)、3D符號(hào)或者單體建模等不同表達(dá)方式，在整體園區(qū)的傾斜攝影模型中疊加展示。城市部件劃分為五大類(lèi)：公用設(shè)施、交通設(shè)施、市容環(huán)境設(shè)施、園林綠化設(shè)施、其他設(shè)施。

2.5 公共專題信息

結(jié)合電子地圖數(shù)據(jù)和外業(yè)調(diào)查方式，梳理、整合并更新園區(qū)內(nèi)住宅、商場(chǎng)、企業(yè)、醫(yī)院、學(xué)校、公交站等興趣點(diǎn)描述以及園區(qū)內(nèi)地名、地址信息的結(jié)構(gòu)化描述與標(biāo)識(shí)。收集、整合并更新公安、交通、自然資源、住建、環(huán)保、水利、旅游、文化、教育等行業(yè)的專題信息資源。

2.6 感知監(jiān)測(cè)信息

對(duì)接監(jiān)控電子眼、充電樁、交通信號(hào)燈、路口監(jiān)控視頻、重大工程傳感器等設(shè)備，掌握交通安全信息。對(duì)接氣象監(jiān)測(cè)站、環(huán)保監(jiān)測(cè)站、污水口監(jiān)測(cè)站等數(shù)據(jù)，關(guān)注極端天氣、空氣質(zhì)量、水質(zhì)等環(huán)境安全問(wèn)題。

3 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

園區(qū)包括建筑物、道路、綠地、地下管線、城市部件等不同單元，借助傾斜攝影實(shí)景三維、地下管線模型、城市部件模型、公共專題信息、感知監(jiān)測(cè)信息等載體，最終盤(pán)活園區(qū)數(shù)字資產(chǎn)“一盤(pán)棋”，以數(shù)字孿生底圖推動(dòng)智慧園區(qū)規(guī)劃、建設(shè)、管理一體化應(yīng)用[8-9]。

3.1 多源信息集成

很多園區(qū)處于建設(shè)初步階段，大部分建筑物、道路、學(xué)校都在逐步建設(shè)的過(guò)程中，平臺(tái)根據(jù)二維矢量、影像、三維模型、傳感數(shù)據(jù)等不同類(lèi)型數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用不同的存儲(chǔ)管理技術(shù)，形成一體化的異構(gòu)空間數(shù)據(jù)混合存儲(chǔ)平臺(tái)。平臺(tái)支持物聯(lián)感知數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)匯聚與運(yùn)行監(jiān)控，集成視頻監(jiān)控、交通安全、人車(chē)管理等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑能耗、交通、園區(qū)運(yùn)行等監(jiān)測(cè)信息的讀取與掛接，為建設(shè)綠色園區(qū)、園區(qū)安防、智慧園區(qū)提供應(yīng)用支撐。

3.2 二三維場(chǎng)景可視化

依托三維GIS平臺(tái)數(shù)據(jù)資源，在傳統(tǒng)矢量、影像、專題圖層、電子地圖等二維數(shù)據(jù)展示的基礎(chǔ)上，支持多種精度地形場(chǎng)景數(shù)據(jù)、傾斜攝影模型、人工建模數(shù)據(jù)、360度可量測(cè)街景數(shù)據(jù)、地下管線模型、單體模型等各類(lèi)三維數(shù)據(jù)的融合展示，增強(qiáng)大場(chǎng)景GIS數(shù)據(jù)、小場(chǎng)景BIM數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)感知數(shù)據(jù)的集成能力，提供從地上到地下、從整體到局部的一體化無(wú)縫場(chǎng)景(見(jiàn)圖1)。平臺(tái)不僅具備二三維數(shù)據(jù)加載展示功能，還提供可視化渲染、場(chǎng)景管理、飛行鳥(niǎo)瞰、標(biāo)繪交互等操作功能。

圖1 二三維場(chǎng)景可視化

3.3 二三維空間分析

在三維場(chǎng)景中提供經(jīng)緯度量測(cè)、高程量測(cè)、水平距離量測(cè)、垂直距離量測(cè)、空中距離量測(cè)、長(zhǎng)度量測(cè)、面積量測(cè)等基本的三維量測(cè)功能。平臺(tái)支持三維數(shù)據(jù)的空間分析能力，包括緩沖區(qū)分析、通視分析、可視域分析、剖面線分析、日照分析、天際線分析、淹沒(méi)分析、DEM土石方分析等(見(jiàn)圖2)。

圖2 空間分析

3.4 園區(qū)資產(chǎn)信息管理

平臺(tái)基于二三維地名地址、POI數(shù)據(jù)、行業(yè)專題數(shù)據(jù)，提供在線查詢檢索功能，支持關(guān)鍵字查詢、模型查詢以及組合查詢等，查詢結(jié)果支持快速定位和詳細(xì)信息查看，通過(guò)查詢了解園區(qū)內(nèi)的道路信息、學(xué)校信息、醫(yī)院信息、廠房信息、住宅區(qū)信息、景區(qū)信息、停車(chē)場(chǎng)信息等。進(jìn)一步結(jié)合人力、物資、設(shè)備、物料、車(chē)輛、房屋等信息，支持對(duì)園區(qū)內(nèi)的特種資產(chǎn)、設(shè)備、物料等進(jìn)行實(shí)時(shí)的卡片式單獨(dú)跟蹤與管理。

3.5 園區(qū)規(guī)劃仿真模擬

基于三維GIS平臺(tái)，在現(xiàn)有空間底座上實(shí)現(xiàn)合并、疊加、對(duì)比分析，通過(guò)3D渲染和三維動(dòng)態(tài)模擬仿真等手段可靈活預(yù)演規(guī)劃效果，預(yù)先展現(xiàn)出未來(lái)園區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)的樣貌，提前發(fā)現(xiàn)規(guī)劃問(wèn)題和設(shè)計(jì)缺陷，避免重大損失。利用多方位的圖形展示功能或者雙屏比對(duì)新舊規(guī)劃藍(lán)圖的差異，直觀、便捷地協(xié)助復(fù)盤(pán)和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)園區(qū)規(guī)劃仿真模擬的效果。

對(duì)于同一項(xiàng)目的多個(gè)方案，可實(shí)現(xiàn)同一狀態(tài)下不同方案的切換，也可進(jìn)行雙屏或者多屏關(guān)聯(lián)比對(duì)，通過(guò)對(duì)多種規(guī)劃方案及結(jié)果的模擬仿真和可視化展示(見(jiàn)圖3)，以直觀形式評(píng)估各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)方案優(yōu)化和遴選。同時(shí)，根據(jù)人口分布、環(huán)境及生態(tài)、地下管網(wǎng)密度等多維度綜合考量整個(gè)園區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)的合理性，便于比對(duì)、判斷和分析最優(yōu)化方案，避免規(guī)劃片面性。

圖3 規(guī)劃仿真模擬

3.6 感知信息監(jiān)測(cè)預(yù)警

園區(qū)建設(shè)更加注重于滿足居住環(huán)境的安全性、舒適性以及企業(yè)管理的便利性、通信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)與增值服務(wù)等方面的需求，園區(qū)智能化管理應(yīng)集成安全防范系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、公共設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)和物業(yè)管理系統(tǒng)等。

平臺(tái)支持集成視頻監(jiān)控、門(mén)禁控制、監(jiān)聽(tīng)對(duì)講、綜合報(bào)警、公共廣播等傳感設(shè)備，通過(guò)綜合管理統(tǒng)一協(xié)調(diào)園區(qū)內(nèi)的資源共享與信息互通，智能化管理園區(qū)治安，為安防事件的事前防范、事中處理、事后分析提供有效的模擬仿真，對(duì)各類(lèi)事件做到預(yù)知、預(yù)判、預(yù)防、預(yù)警和有效提醒，切實(shí)提高安全保障能力和應(yīng)急處理能力。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于數(shù)字孿生理念探討智慧園區(qū)建設(shè)并提出了設(shè)計(jì)思路。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，數(shù)字孿生應(yīng)用技術(shù)對(duì)園區(qū)智慧管理的頂層設(shè)計(jì)、運(yùn)維、業(yè)務(wù)協(xié)同等多方面都具有應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)也可推廣應(yīng)用至其他領(lǐng)域。