公園智慧管理中的數(shù)字孿生模型技術(shù)研究

董則奉 汪 正 張朱虹

（上海園林（集團(tuán)）有限公司，上海 200335）

數(shù)字孿生技術(shù)起源于航空業(yè)，在智造業(yè)、醫(yī)療業(yè)和智慧城市建設(shè)領(lǐng)域有較好的表現(xiàn)。該技術(shù)的實(shí)施應(yīng)用核心是建立包含物理實(shí)體性能、維護(hù)和運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生模型。在公園領(lǐng)域，高品質(zhì)的數(shù)字孿生模型能夠成為公園實(shí)體和數(shù)據(jù)信息之間的橋梁，對(duì)公園的智慧管理有顯著意義。由于公園環(huán)境要素多樣、管理要求復(fù)雜，其三維建模、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、渲染性能面對(duì)較大挑戰(zhàn)。因此，信息數(shù)據(jù)、三維模型和公園實(shí)體之間一直存在無(wú)法高效、精準(zhǔn)匹配的系統(tǒng)性問(wèn)題。通過(guò)實(shí)踐研究，開(kāi)創(chuàng)性地將公園數(shù)字孿生模型的搭建過(guò)程劃分為需求分析、技術(shù)選擇、模型搭建、數(shù)據(jù)綁定4個(gè)環(huán)節(jié)，并提取每個(gè)環(huán)節(jié)中與公園智慧管理實(shí)際需求緊密相關(guān)的關(guān)鍵因子。通過(guò)實(shí)施信息權(quán)重分級(jí)篩選、多種建模技術(shù)集成、模型網(wǎng)格拓?fù)鋲嚎s、模型參數(shù)驅(qū)動(dòng)更新、制定數(shù)據(jù)綁定標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)措施，響應(yīng)關(guān)鍵因子的需求，從而建立信息化、精準(zhǔn)化的公園數(shù)字孿生模型構(gòu)建技術(shù)體系，最終助力公園智慧管理工作。

公園；智慧管理；數(shù)字孿生模型；BIM技術(shù)；數(shù)據(jù)信息

公園需要面對(duì)多變的環(huán)境元素、多源的服務(wù)對(duì)象和多樣的管理需求，隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展和引入，其管理工作逐步往標(biāo)準(zhǔn)化和精細(xì)化的方向發(fā)展[1]，最終實(shí)現(xiàn)智慧化目標(biāo)。公園智慧管理的實(shí)現(xiàn)根基是數(shù)字孿生（Digital Twin）技術(shù)。數(shù)字孿生是物理實(shí)體的虛擬實(shí)例，涵蓋物理實(shí)體的性能、維護(hù)和運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)，反應(yīng)物理實(shí)體的真實(shí)狀態(tài)[2]。這一定義的關(guān)鍵里程碑是2012年由美國(guó)航空航天局（NASA）正式提出[3]，主要應(yīng)用于實(shí)體航天器的數(shù)據(jù)模擬過(guò)程[4]。由于數(shù)字孿生模型可以提供更好的交互性和更高效的場(chǎng)景仿真效果[5]，在智造業(yè)、醫(yī)療業(yè)和智慧城市的建設(shè)過(guò)程中有較廣闊的發(fā)展前景[6]。越來(lái)越多的專家認(rèn)為該技術(shù)對(duì)公園的建設(shè)、運(yùn)維工作也具有顯著的積極意義[7]。袁弘毅[8]認(rèn)為將數(shù)字孿生技術(shù)運(yùn)用于綠地公園全環(huán)境、苗木綠化、降水虛擬設(shè)計(jì)具有一定優(yōu)勢(shì)；陳一家[9]認(rèn)為數(shù)字孿生可以使風(fēng)景園林更好地為人民服務(wù)，并分析了數(shù)字孿生在提升規(guī)劃設(shè)計(jì)水平、優(yōu)化建設(shè)等方面的運(yùn)用前景；劉童[10]認(rèn)為數(shù)字孿生技術(shù)可以運(yùn)用在景觀方案前期分析和后期展示中；夏海兵[11]通過(guò)優(yōu)化圖形引擎技術(shù)提升了園林苗木資產(chǎn)數(shù)字孿生在設(shè)計(jì)養(yǎng)護(hù)階段的使用效率。

以上研究都集中于數(shù)字孿生在公園規(guī)劃設(shè)計(jì)、資產(chǎn)管理方面的系統(tǒng)框架和運(yùn)用優(yōu)勢(shì)。但是公園實(shí)體的要素種類多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其在建模、存儲(chǔ)、渲染等方面難度較高[12]。面對(duì)公園智慧管理的實(shí)際需要，公園數(shù)字孿生模型應(yīng)如何搭建、又有哪些關(guān)鍵因子以及相應(yīng)的技術(shù)措施一直是相關(guān)領(lǐng)域的研究空白。為了實(shí)現(xiàn)公園智慧管理的信息化、精確化、高效化，對(duì)公園數(shù)字孿生模型技術(shù)展開(kāi)深入研究具有突出的實(shí)踐意義。

1 公園數(shù)字孿生模型技術(shù)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)及關(guān)鍵因子

公園數(shù)字孿生模型的具體搭建過(guò)程是一個(gè)完整的系統(tǒng)流程，在大量工程實(shí)踐研究基礎(chǔ)上開(kāi)創(chuàng)性地將其劃分為公園數(shù)字孿生模型的需求分析、技術(shù)選擇、模型搭建、數(shù)據(jù)綁定4個(gè)重點(diǎn)環(huán)節(jié)。為了和數(shù)字孿生模型相互對(duì)應(yīng)，文中將公園中的不同要素統(tǒng)稱為公園實(shí)體。如圖1所示，公園數(shù)字孿生模型會(huì)受到公園實(shí)體特點(diǎn)、公園數(shù)據(jù)特征、公園管理需求、模型搭建效率、模型成果精度和模型搭建成本等大量不同影響因子的相互作用。值得注意的是，文中研究討論的關(guān)鍵因子是與公園智慧管理的實(shí)際需求密切相關(guān)的、真正有利于公園數(shù)字孿生模型搭建的影響因子。

圖1 公園數(shù)字孿生模型技術(shù)的重點(diǎn)環(huán)節(jié)及關(guān)鍵因子示意圖Fig.1 Digital Twin key links and key factors of park

1.1 需求分析

公園包含著名稱性質(zhì)、幾何學(xué)、空間定位和數(shù)量等海量數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)資源是智慧園林平臺(tái)運(yùn)行的基礎(chǔ)[13]，精確的公園數(shù)字孿生模型應(yīng)當(dāng)與公園的實(shí)際情況一一對(duì)應(yīng)，包括三維模型與公園實(shí)體的一致性和三維模型包含數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性。需求分析環(huán)節(jié)的關(guān)鍵因子是如何按照公園管理的實(shí)際需求對(duì)公園實(shí)體包含的海量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行篩選。

1.2 技術(shù)選擇

公園涉及地形、綠化植被、路面鋪裝、園林小品、園林建筑、給排水、強(qiáng)弱電、附屬設(shè)施等不同要素。目前，主流的模型搭建技術(shù)和軟件種類繁多，面對(duì)占地面積、復(fù)雜程度、隱蔽情況各不相同的公園，適用的建模技術(shù)也各不相同。技術(shù)選擇階段的關(guān)鍵因子是如何權(quán)衡目前不同模型技術(shù)的搭建效率和精度，進(jìn)行最合理的選擇。

1.3 模型搭建

公園實(shí)體的數(shù)量龐大、造型復(fù)雜，其中，硬質(zhì)景觀和功能服務(wù)設(shè)備的三維模型基本都是由立方體、圓柱體構(gòu)成，字節(jié)數(shù)較小。綠化植物、山石造景的模型由大量復(fù)雜曲面構(gòu)成，字節(jié)數(shù)極大。加載大量高精度的三維模型后綠地智慧管理系統(tǒng)將無(wú)法快速渲染、順暢運(yùn)行。

公園需要不斷維護(hù)，一直處于低頻變化過(guò)程中。目前主流的公園模型都是按照測(cè)繪記錄的固定數(shù)值來(lái)建立幾何體塊的。按照這種技術(shù)路徑搭建完模型后，一旦綠地出現(xiàn)變化，再想對(duì)三維模型進(jìn)行調(diào)整就必須重新進(jìn)入編輯模式進(jìn)行修改，或者刪除原有模型重新進(jìn)行搭建，修訂工作非常困難。

公園的三維模型既是管理系統(tǒng)內(nèi)公園的數(shù)據(jù)信息載體，又是智慧看板上直接面向管理人員的視覺(jué)載體，是數(shù)字孿生的核心。模型搭建階段環(huán)節(jié)的關(guān)鍵因子是如何對(duì)三維模型進(jìn)行輕量化壓縮和實(shí)現(xiàn)快速調(diào)整。

1.4 數(shù)據(jù)綁定

目前風(fēng)景園林行業(yè)還沒(méi)有統(tǒng)一的數(shù)字化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，各地所建的數(shù)字化系統(tǒng)差異較大，系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享和集成存在問(wèn)題；同一區(qū)域內(nèi)的不同管理部門間也未建立數(shù)據(jù)共享機(jī)制，存在重復(fù)建設(shè)現(xiàn)象[14]。各個(gè)公園智慧管理系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)共享難、通用性低、安全性差，給行業(yè)垂直管理帶來(lái)諸多不便。數(shù)據(jù)綁定階段環(huán)節(jié)的關(guān)鍵因子是如何通過(guò)合理的數(shù)據(jù)綁定方式實(shí)現(xiàn)信息流通共享。

2 公園數(shù)字孿生模型技術(shù)的核心構(gòu)架及關(guān)鍵技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)公園智慧管理的信息化、精確化、高效化，必須對(duì)公園數(shù)字孿生模型搭建過(guò)程的關(guān)鍵因子進(jìn)行深入研究（圖2），通過(guò)信息權(quán)重分級(jí)篩選、多種建模技術(shù)融合、模型網(wǎng)格拓?fù)鋲嚎s、模型參數(shù)驅(qū)動(dòng)更新和數(shù)據(jù)綁定標(biāo)準(zhǔn)制定等關(guān)鍵技術(shù)響應(yīng)關(guān)鍵因子的核心需求，形成關(guān)鍵技術(shù)路徑。

圖2 公園數(shù)字孿生模型技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)路徑示意圖Fig.2 Digital twin key technology path of park green space

2.1 信息權(quán)重分級(jí)篩選

公園中涵蓋地形、綠化植被、濱水工程、水景、路面鋪裝、園林小品、園林建筑（仿古）、給排水、強(qiáng)弱電、附屬設(shè)施等不同要素，每一個(gè)要素實(shí)體都包含著名稱性質(zhì)信息、幾何學(xué)信息、空間定位信息和數(shù)量信息。僅以給排水系統(tǒng)為例：給排水系統(tǒng)包含了管道、噴頭、閥門和附屬井，管道涵蓋材質(zhì)、壁厚、孔徑、埋深信息；噴頭、閥門涵蓋品牌、型號(hào)、孔徑、坐標(biāo)定位和質(zhì)量驗(yàn)收信息；附屬集水井和檢查井涵蓋品牌、型號(hào)、幾何尺寸、坐標(biāo)定位、埋深、質(zhì)量驗(yàn)收等信息。但是對(duì)于智慧管理來(lái)說(shuō)，管道的材質(zhì)、孔徑、埋深，噴頭和閥門的品牌、型號(hào)和定位信息最為重要。進(jìn)行公園數(shù)字孿生模型搭建工作，必須先明確所有與智慧管理面相關(guān)的信息。目前，這一工作主要通過(guò)與管理人員進(jìn)行訪談實(shí)現(xiàn)，極易產(chǎn)生疏漏。

應(yīng)采用新的方式進(jìn)行信息管理：（1）在精確測(cè)量的基礎(chǔ)上梳理羅列公園所包含的所有數(shù)據(jù)信息；（2）根據(jù)不同的管理對(duì)象明確不同的管理信息類型和構(gòu)成，以構(gòu)建有針對(duì)性的數(shù)據(jù)表[15]；（3）讓公園管理者將不同公園實(shí)體包含的信息按照信息和后期管理運(yùn)維的相關(guān)性、重要性的權(quán)重關(guān)系進(jìn)行分級(jí)評(píng)估（表1），通過(guò)公園管理者打分形成的分級(jí)表格能夠明確公園智慧管理的實(shí)際需求，為后續(xù)數(shù)字孿生模型的搭建工作建立實(shí)施依據(jù)。

表1 公園信息權(quán)重分級(jí)表Tab.1 Information weight grading of park green space

2.2 多種建模技術(shù)融合

（1）無(wú)人機(jī)航拍建模技術(shù)：運(yùn)用無(wú)人機(jī)（UAV）這種快速且經(jīng)濟(jì)的方法對(duì)綠地進(jìn)行航拍，通過(guò)超高分辨率的數(shù)字影像和高精度定位數(shù)據(jù)生成三維點(diǎn)云，在此基礎(chǔ)上自動(dòng)生成數(shù)字表面模型（Digital Surface Model，DSM）[16]。該技術(shù)是一種數(shù)據(jù)模擬采集技術(shù)，其根本在于航拍數(shù)字影像。無(wú)人機(jī)無(wú)法穿透茂密的林冠獲取公園的所有數(shù)字影像，進(jìn)而無(wú)法建立相應(yīng)的三維模型。

（2）激光雷達(dá)掃描建模技術(shù)：運(yùn)用無(wú)人機(jī)的機(jī)載激光雷達(dá)或手持激光對(duì)綠地進(jìn)行掃描。雷達(dá)可快速采集高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)性[17]。在此基礎(chǔ)上對(duì)高精度和密度的激光點(diǎn)云進(jìn)行降噪、優(yōu)化，快速建立數(shù)字表面模型。如圖3所示，遙感掃描可將獲得的不同實(shí)體的激光點(diǎn)混合在一起。為了進(jìn)行智慧管理，必須先按照一個(gè)個(gè)獨(dú)立的公園實(shí)體對(duì)激光點(diǎn)云進(jìn)行分類，再由點(diǎn)云構(gòu)建出獨(dú)立的模型。該技術(shù)的建模效率極高，但是后續(xù)分類過(guò)程效率極低。

圖3 激光點(diǎn)云分割建模示意Fig.3 Laserpoint cloud segmentation modeling

（3）傳統(tǒng)三維軟件建模技術(shù)：運(yùn)用三維軟件直接對(duì)綠地進(jìn)行建模，對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)要求較高，建模效率較慢。但由于采用該技術(shù)搭建的不同公園實(shí)體的三維模型都是獨(dú)立存在的，后期不需要再進(jìn)行分類工作，可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的錄入。更重要的是，航拍和雷達(dá)掃描技術(shù)均無(wú)法對(duì)隱蔽的實(shí)體進(jìn)行精確測(cè)繪，比如公園的管網(wǎng)系統(tǒng)、地下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、建筑內(nèi)部構(gòu)成等，只能運(yùn)用傳統(tǒng)的三維建模軟件進(jìn)行建模。

公園占地廣、要素多，在正式開(kāi)展建模工作前應(yīng)對(duì)公園的占地面積、復(fù)雜程度、隱蔽情況以及內(nèi)部構(gòu)成比例進(jìn)行分析（表2），結(jié)合公園的實(shí)際情況對(duì)無(wú)人機(jī)航拍建模技術(shù)、激光雷達(dá)掃描建模技術(shù)和傳統(tǒng)三維軟件建模技術(shù)的適用性和效率進(jìn)行評(píng)估。在此基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用多種技術(shù)，盡可能地提高搭建效率。

表2 主流建模技術(shù)適用性分析表Tab.2 Applicability analysis of mainstream modeling techniques

2.3 模型網(wǎng)格拓?fù)鋲嚎s

利用現(xiàn)有建模技術(shù)構(gòu)建的三維模型，其包含的信息、數(shù)據(jù)量非常龐大，不僅增加了應(yīng)用系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間，還加大了三維場(chǎng)景的渲染時(shí)間[18]，綠地智慧管理系統(tǒng)的性能和工作效率會(huì)受到極大的影響。目前，很多公園智慧管理系統(tǒng)通過(guò)貼圖替代或只建立部分模型的方法來(lái)提升運(yùn)行速度。這種做法舍棄了準(zhǔn)確性這一基本要求，不是真正的和實(shí)體一一對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生。在公園中，綠化植物、山石造景、異形構(gòu)筑物的三維模型由大量復(fù)雜曲面構(gòu)成，字節(jié)數(shù)極大，尤其是綠化植物類型多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以及種間與種內(nèi)存在多樣化的形態(tài)差異等特點(diǎn)，給建模帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)[19]。

以公園中非常重要的喬木資產(chǎn)為例，運(yùn)用遙感掃描技術(shù)形成的單個(gè)喬木模型包含了上千個(gè)激光點(diǎn)，構(gòu)成的數(shù)字表面模型有上萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格面；運(yùn)用專業(yè)級(jí)別的三維植物模型軟件Speedtree或PlantFactory人工精準(zhǔn)搭建的單個(gè)喬木模型包含了每一片葉片和每一根枝干，達(dá)60 MB以上。所以無(wú)論是通過(guò)遙感掃描還是人工精準(zhǔn)建模搭建喬木模型，都必須進(jìn)行輕量化壓縮（圖4）：（1）結(jié)合上木的樹形姿態(tài)和葉片肌理特征，運(yùn)用多個(gè)球體來(lái)代替枝冠叢，形成喬木整體樹冠的精簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)。對(duì)所有球體模型進(jìn)行布爾運(yùn)算，只留下最外層的曲面表皮模型。（2）按照喬木點(diǎn)在曲面表皮模型上增加干擾起伏來(lái)模擬葉片的肌理效果。（3）忽略分支和細(xì)枝，采用四邊形異形立柱對(duì)主干和主枝進(jìn)行精簡(jiǎn)重構(gòu)。通過(guò)去除三維模型的非幾何信息，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)和幾何拓?fù)潢P(guān)系對(duì)植物進(jìn)行輕量化處理，不僅能較好地保留樹形姿態(tài)和葉片肌理，又能將單個(gè)模型壓縮至100 B以內(nèi)，大幅降低三維模型所占用的存儲(chǔ)空間。通過(guò)該技術(shù)在模型的細(xì)節(jié)精度和模型字節(jié)大小之間尋求最佳平衡點(diǎn)，同時(shí)滿足智慧管理系統(tǒng)平臺(tái)的視覺(jué)傳達(dá)和快速運(yùn)行要求。

圖4 喬木模型輕量化壓縮示意Fig.4 Lightweight compression of the arbor model

2.4 模型參數(shù)驅(qū)動(dòng)更新

數(shù)字孿生是對(duì)實(shí)體過(guò)程進(jìn)行的鏡像，需要與實(shí)體變化實(shí)時(shí)匹配[20]（表3），公園并不是一成不變的，由于更新維護(hù)的需求不同，不同公園實(shí)體的更新頻次也各不相同。目前，公園實(shí)體出現(xiàn)更新變化后，將耗費(fèi)大量精力進(jìn)行模型調(diào)整、效率極其低下。可以利用BIM模型的參數(shù)化特性建立參數(shù)化族，通過(guò)族參數(shù)調(diào)節(jié)，控制模型的幾何尺寸、材質(zhì)顏色隨意變換[21]。

表3 公園實(shí)體更新分析表Tab.3 Update analysis of park green space entity

以照明系統(tǒng)為例，公園作為城市公共空間的重要組成部分，具有大量社會(huì)服務(wù)職能。上海一直積極響應(yīng)游客夜間游園需求，自2011年起對(duì)35座公園實(shí)行部分公園夏令延長(zhǎng)開(kāi)放，力度逐年增大，截至2021年全市確定369座城市公園實(shí)施延長(zhǎng)開(kāi)放[22]。隨著公園的延長(zhǎng)開(kāi)放，照明燈具的使用時(shí)長(zhǎng)大幅上升，必須加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，在第一時(shí)間進(jìn)行維護(hù)更換。應(yīng)基于Revit軟件建立照明燈具和管道的參數(shù)化模型，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)快速修訂（圖5）。當(dāng)燈具出現(xiàn)品牌、型號(hào)變化時(shí)只需選中原始模型就可以進(jìn)行快速替換，當(dāng)管道出現(xiàn)改線時(shí)只需挪動(dòng)管道起始點(diǎn)位就能及時(shí)與實(shí)際綠地更新保持一致。以此可以切實(shí)落實(shí)公園延長(zhǎng)開(kāi)放期間的安全措施，確保游客的游園安全。所以，在模型搭建過(guò)程中，應(yīng)篩選出更新頻次較高的公園實(shí)體，對(duì)其模型進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)設(shè)置，滿足綠地變化時(shí)快速調(diào)整模型的需要。

圖5 燈具管道參數(shù)化模型Fig.5 Parametric model ofluminaire lipeline

2.5 數(shù)據(jù)綁定標(biāo)準(zhǔn)制定

目前，各個(gè)公園智慧管理系統(tǒng)都是獨(dú)立承包商建立的。部分承包商運(yùn)用3DMax等軟件搭建較傳統(tǒng)的三維模型，部分承包商運(yùn)用Revit軟件搭建BIM信息化模型。但無(wú)論搭建哪一種三維模型，各承包商基本都會(huì)在服務(wù)器中建立數(shù)據(jù)信息庫(kù)，將數(shù)據(jù)信息綁定在提前搭建完成的三維模型上。不同承包商的數(shù)據(jù)庫(kù)和模型之間的綁定規(guī)則不能相互兼容，所以數(shù)據(jù)的共享難、通用性低。面對(duì)這一困境，可運(yùn)用國(guó)內(nèi)推廣性最好的Revit軟件作為BIM信息化模型平臺(tái)進(jìn)行解決。BIM模型可以將不同階段、不同參與方的數(shù)據(jù)信息都整合在模型中。數(shù)據(jù)在傳遞過(guò)程中也不會(huì)丟失，能夠減少信息重新輸入造成的資源浪費(fèi)。運(yùn)用BIM技術(shù)，可以確保資產(chǎn)信息的管理效果，達(dá)到預(yù)期的管理目標(biāo)[23]。

行業(yè)管理者作為項(xiàng)目的執(zhí)行者，將多個(gè)公園視為一個(gè)統(tǒng)一的主體項(xiàng)目（圖6），制定統(tǒng)一的模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定模型的版次要求、精度標(biāo)準(zhǔn)、命名規(guī)則、信息代碼、數(shù)據(jù)格式，以此避免對(duì)信息的理解歧義和傳遞錯(cuò)誤，提高信息的無(wú)縫流通效率。各承包商在獨(dú)立建設(shè)不同公園的智慧管理系統(tǒng)時(shí)，可以按以往習(xí)慣建立數(shù)據(jù)庫(kù)，但是必須將三維模型統(tǒng)一導(dǎo)入Revit軟件平臺(tái)中，并將綠地所有數(shù)據(jù)的信息直接賦予到模型里，而不采用數(shù)據(jù)鏈接的方式進(jìn)行信息綁定。最后，各個(gè)承包商將各自建立的模型提資給行業(yè)管理者，相互之間不可以編輯修改他人建立的模型。行業(yè)管理者建立主體項(xiàng)目，通過(guò)模型鏈接的方式將各個(gè)承包商獨(dú)自建立的信息化模型進(jìn)行整合，以此通過(guò)統(tǒng)一的模型平臺(tái)實(shí)現(xiàn)公園信息的有效共享。

圖6 數(shù)據(jù)綁定方案示意Fig.6 Data binding scheme

3 公園數(shù)字孿生體系應(yīng)用案例

上海虹橋前灣公園總規(guī)劃面積76 hm2，公園面積52 hm2，市政水域面積24 hm2。公園以“融匯一江一河的生態(tài)C型水灣”為肌底，通過(guò)“5+1+1”慢行游線環(huán)灣貫通，形成“外灣色葉大道、內(nèi)灣濱水花道”的綠化結(jié)構(gòu)，自北向南劃分森趣前灣、文化前灣、運(yùn)動(dòng)前灣三大核心功能片區(qū)，創(chuàng)造生態(tài)、人文、活力交融的新海派水城。其中，—期建設(shè)位于文化前灣，總面積約8.1 hm2，綠化面積3.7 hm2，硬質(zhì)面積4.4 hm2。涉及土方工程、綠化工程、硬質(zhì)景觀工程、景觀給排水、海綿排水、海綿城市雨水回收系統(tǒng)、水景水處理循環(huán)系統(tǒng)、景觀強(qiáng)弱電等建造內(nèi)容。

前灣公園—期工程充分運(yùn)用BIM技術(shù)進(jìn)行碰撞檢測(cè)、方案優(yōu)化、數(shù)字交付等數(shù)字化運(yùn)用，包含了整個(gè)公園建造的全生命周期。BIM技術(shù)的核心目標(biāo)是設(shè)計(jì)和施工階段的調(diào)整，數(shù)字孿生的核心目標(biāo)是竣工完成后的管理和維護(hù)。但是二者在實(shí)施過(guò)程中存在相當(dāng)程度上的重疊，可以說(shuō)數(shù)字孿生是BIM技術(shù)的延續(xù)和提升[24]。為了在竣工后對(duì)前灣公園進(jìn)行智慧管理，按照公園數(shù)字孿生模型構(gòu)建體系，進(jìn)行公園的BIM模型搭建工作。

（1）需求分析階段，聯(lián)合工程深化設(shè)計(jì)師、材料員、資料員收集整合公園實(shí)體包含的所有數(shù)據(jù)信息，以公園管理者打分形成的分級(jí)表格為評(píng)判依據(jù)，著重收集在公園智慧管理中最重要的機(jī)電、照明、給排水等設(shè)備的數(shù)據(jù)信息。

（2）技術(shù)選擇階段，由于前灣公園完全是在平整場(chǎng)地上新建的公園，且地下鋪設(shè)了大量自動(dòng)噴灌和排水管道，所以整個(gè)公園采用Revit軟件依據(jù)施工圖紙進(jìn)行了傳統(tǒng)的人工建模。雖然建模效率較低，但能保證每一個(gè)實(shí)體都能快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)信息綁定。

（3）模型搭建階段，對(duì)整個(gè)公園中的異曲面實(shí)體（前灣公園中以喬木和天然景石為主）的模型進(jìn)行網(wǎng)格拓?fù)鋲嚎s，在確保模型和實(shí)體一一對(duì)應(yīng)的情況下智慧管理系統(tǒng)平臺(tái)也能快速運(yùn)行。預(yù)先篩選出更新頻次較高的自動(dòng)噴頭、照明燈具、監(jiān)控?cái)z像頭等模型，并進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)設(shè)置，以滿足公園維護(hù)、更新時(shí)能夠快速進(jìn)行模型調(diào)整。

（4）數(shù)據(jù)綁定階段，不單獨(dú)建立公園實(shí)體的數(shù)據(jù)信息文檔，而將所有數(shù)據(jù)信息全部賦予三維模型自身，點(diǎn)擊每一個(gè)模型就能讀取公園實(shí)體對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，成為公園信息有效共享的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。

通過(guò)整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施，對(duì)公園智慧管理中的數(shù)字孿生模型技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。當(dāng)整個(gè)項(xiàng)目完成時(shí)，能夠?qū)IM模型將快速轉(zhuǎn)化為數(shù)字孿生模型[25]，直接載入智慧管理系統(tǒng)平臺(tái)后，能為公園智慧管理提供有力支撐（圖7）。

圖7 上海虹口前灣公園一期數(shù)字孿生模型Fig.7 Shanghai Hongqiao Qianwan Parkphase I digital twin model

4 結(jié)論與展望

公園數(shù)字孿生模型是反映公園實(shí)體真實(shí)狀態(tài)的虛擬實(shí)例，信息化、精確化的公園數(shù)字孿生模型，可以有效提高公園智慧管理的準(zhǔn)確性和運(yùn)營(yíng)效率。本研究通過(guò)提取公園數(shù)字孿生模型搭建過(guò)程中需求分析、技術(shù)選擇、模型搭建和數(shù)據(jù)綁定環(huán)節(jié)的關(guān)鍵因子，并對(duì)關(guān)鍵因子實(shí)施信息權(quán)重分級(jí)篩選、多種建模技術(shù)集成、模型網(wǎng)格拓?fù)鋲嚎s、模型參數(shù)驅(qū)動(dòng)更新、制定數(shù)據(jù)綁定標(biāo)準(zhǔn)等關(guān)鍵技術(shù)措施，建立了一套真正面向公園智慧管理的數(shù)字孿生模型構(gòu)建技術(shù)體系。該技術(shù)體系確保了公園數(shù)字孿生模型能夠高效、精準(zhǔn)地匹配公園實(shí)體和數(shù)據(jù)信息，填補(bǔ)了公園數(shù)字孿生領(lǐng)域內(nèi)的研究空白。為了讓數(shù)字孿生技術(shù)在公園智慧管理工作中發(fā)揮更大作用，還應(yīng)進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)采集加工、數(shù)據(jù)安全管理、系統(tǒng)平臺(tái)融合等方面進(jìn)行深入研究。

注：文中圖片均為通訊作者自繪。