基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑物3D可視化技術(shù)研究

陸正卿，方維嵐，苗延霖

（上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司，上海 200082）

1 概述

基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑物三維可視化技術(shù)的研究和應(yīng)用正成為學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的熱門(mén)話題之一，通過(guò)連接傳感器、設(shè)備與系統(tǒng)，實(shí)時(shí)獲取與分析各類(lèi)數(shù)據(jù)，將三維模型直觀地展示給管理者。其涉及的技術(shù)包括數(shù)據(jù)采集、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與可視化建模等。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，已提出與應(yīng)用了各種技術(shù)工具與框架。

2 相關(guān)技術(shù)綜述

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)包括傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和應(yīng)用平臺(tái)等方面。傳感器技術(shù)用于感知和采集環(huán)境中各種數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、光照等。通信技術(shù)負(fù)責(zé)將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸至云端或其他設(shè)備進(jìn)行處理和分析。數(shù)據(jù)處理技術(shù)涵蓋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析等，用于從龐雜數(shù)據(jù)中提取有益信息。應(yīng)用平臺(tái)則提供統(tǒng)一接口和工具，以開(kāi)發(fā)和布署物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

2.1.1 EclipseDitto

Eclipse Ditto 提供物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及其數(shù)字孿生融合的位置，是物聯(lián)網(wǎng)中的一項(xiàng)技術(shù)框架，該框架能夠管理數(shù)字孿生的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生基于云的虛擬表示，將代表現(xiàn)實(shí)世界的對(duì)應(yīng)物（現(xiàn)實(shí)世界的“事物”，如傳感器、智能供暖、聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)、智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車(chē)充電站等設(shè)備）實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生融合。

Eclipse Ditto 使用了各種協(xié)議，如AMQP 1.0，AMQP 0.9.1，MQTT，Apache Kafka 或HTTP/WebSockets，其重點(diǎn)在于通過(guò)提供 Web API 來(lái)關(guān)注后端場(chǎng)景，以便簡(jiǎn)化已連接（如通過(guò)Eclipse Hono）設(shè)備和來(lái)自客戶應(yīng)用程序或其他后端軟件的“現(xiàn)實(shí)事物”的協(xié)同工作。同時(shí)具備較高的擴(kuò)展性，未限定物聯(lián)網(wǎng)中的“物體”須提供指定的數(shù)據(jù)或結(jié)構(gòu)。

2.1.2 EclipseHono

Eclipse Hono 是一個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目，旨在為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備提供統(tǒng)一和擴(kuò)展的連接、通信和數(shù)據(jù)處理功能。其提供了一個(gè)輕量級(jí)的代理架構(gòu)，可與各種設(shè)備進(jìn)行通信，并將設(shè)備生成的數(shù)據(jù)路由到所需的云服務(wù)或應(yīng)用程序。其提供的遠(yuǎn)程接口用于將大量IoT 設(shè)備連接到后端并以統(tǒng)一的方式與它們進(jìn)行交互，而無(wú)需考慮設(shè)備通信協(xié)議。

2.2 可視化Three.js技術(shù)

隨著數(shù)字孿生應(yīng)用需求日益增加，三維可視化以更多維度去管理、展示數(shù)據(jù)，讓用戶更直觀有效地進(jìn)行決策管理。其中，WebGL 的技術(shù)較為成熟，是一種免費(fèi)的、跨平臺(tái)的3D 繪圖標(biāo)準(zhǔn)，是HTML5規(guī)范的組成部分之一。而在WebGL 中，Three.js 作為一個(gè)輕量級(jí)、開(kāi)源免費(fèi)的開(kāi)發(fā)框架，杰出的易用性和擴(kuò)展性使其得到行業(yè)的廣泛應(yīng)用。

Three.js 不僅封裝了WebGL 原始的API，還支持Canvas 動(dòng)畫(huà)、CSS 動(dòng)畫(huà)及許多實(shí)用的內(nèi)置對(duì)象，可快速實(shí)例化場(chǎng)景，并在開(kāi)發(fā)中使用了很多圖形引擎的高級(jí)技巧，極大提高了性能。Three.js 的具體功能如下。

（1）細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化。Three.js 將WebGL 原生API 的細(xì)節(jié)抽象化，將3D 場(chǎng)景拆解為網(wǎng)格、材質(zhì)和光源（即其內(nèi)置了圖形編程常用的一些對(duì)象種類(lèi)）。

（2）高性能。Three.js 采用了3D 圖形最佳實(shí)踐來(lái)保證在不失可用性的前提下，保持極高的性能。

（3）支持交互。WebGL 本身并不提供拾?。╬icking）功能（即是否知道鼠標(biāo)正處于某個(gè)物體上）。而Three.js 則固化了拾取支持，可輕松地為應(yīng)用添加交互功能。

（4）強(qiáng)擴(kuò)展性。為T(mén)hree.js 添加新的特性或進(jìn)行自定義優(yōu)化是很容易的事情。若需某個(gè)特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，那么只需封裝到Three.js 即可。

（5）支 持HTML5 canvas。Three.js 不但支 持WebGL，而且還支持使用Canvas2D、Css3D 和SVG進(jìn)行渲染。在未兼容WebGL 的環(huán)境中可回退到其它的解決方案。

3 架構(gòu)及方案

3.1 業(yè)務(wù)需求

文章旨在探索基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑物3D 可視化框架技術(shù)，模擬大型園區(qū)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)對(duì)園區(qū)中各建筑物消防系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)、空調(diào)控制系統(tǒng)等的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化展示。依托物聯(lián)網(wǎng)及3D 可視化技術(shù)，在科技園區(qū)建設(shè)傳感網(wǎng)絡(luò)，在園區(qū)建筑物中的重要基礎(chǔ)設(shè)施和場(chǎng)所安裝溫度、濕度和安防等傳感器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集模并將其傳輸?shù)胶蠖讼到y(tǒng)進(jìn)行處理。將園區(qū)建設(shè)成一個(gè)廣泛存在感知的“物聯(lián)網(wǎng)”空間，對(duì)園區(qū)內(nèi)建筑物實(shí)行全面感知和感測(cè)。再由設(shè)備管理模塊用于注冊(cè)、連接和管理建筑物中的各種設(shè)備，確保其正常運(yùn)行和可靠性。通過(guò)創(chuàng)建建筑物的可視化3D 模型，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互和數(shù)據(jù)展示。

3.2 技術(shù)架構(gòu)

通過(guò)底層傳感器采集消防系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，使用Eclipse Ditto、Eclipse Hono 物聯(lián)網(wǎng)框架技術(shù)，通過(guò)MQTT 等通信協(xié)議方式接收傳輸數(shù)據(jù)，且使用Three.js 功能建立園區(qū)建筑物的3D 模型，并將數(shù)據(jù)來(lái)源匹配模型中的位置，通過(guò)可視化的方式展示數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)采集方案

3.3.1 消防系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

通過(guò)統(tǒng)一監(jiān)控應(yīng)用中的消防監(jiān)控模塊，實(shí)現(xiàn)與消防系統(tǒng)的集成和監(jiān)控。消防系統(tǒng)主要完成各種消防數(shù)據(jù)的探測(cè)、自動(dòng)和手動(dòng)報(bào)警及與噴淋系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制。通過(guò)感煙火災(zāi)探測(cè)器、感溫火災(zāi)探測(cè)器等，在符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的前提下實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的探測(cè)采集。

3.3.2 安防系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

通過(guò)統(tǒng)一監(jiān)控應(yīng)用中的安防監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)與安防系統(tǒng)的集成和監(jiān)控，主要實(shí)現(xiàn)園區(qū)內(nèi)安防相關(guān)的各種資產(chǎn)數(shù)據(jù)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集和展示，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種事件的監(jiān)控和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)。通過(guò)監(jiān)控能夠快速對(duì)異常設(shè)備或事件進(jìn)行定位，及時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)或采取其他應(yīng)對(duì)異常的措施。

3.3.3 強(qiáng)電、弱電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

通過(guò)統(tǒng)一監(jiān)控應(yīng)用中的強(qiáng)電、弱電設(shè)施，如照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)及機(jī)房設(shè)施的集成和監(jiān)控，采集各個(gè)設(shè)備的狀況和狀態(tài)數(shù)據(jù)、異常事件等，包括空調(diào)溫度、三相線電壓、停電報(bào)警及高/低電壓報(bào)警等，及時(shí)根據(jù)預(yù)案或現(xiàn)場(chǎng)判斷采取措施。

3.3.4 多媒體設(shè)備系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

通過(guò)多媒體設(shè)備監(jiān)控模塊與多媒體管理系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制，大致包含會(huì)場(chǎng)中控系統(tǒng)、公共廣播系統(tǒng)、視頻顯示系統(tǒng)、音頻擴(kuò)聲系統(tǒng)及遠(yuǎn)程控制終端系統(tǒng)等。

3.3.5 Wi-Fi系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

通過(guò)統(tǒng)一監(jiān)控應(yīng)用中的Wi-Fi 位置服務(wù)模塊與Wi-Fi 位置服務(wù)管理系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)Wi-Fi 設(shè)備的監(jiān)測(cè)和控制、Wi-Fi 熱點(diǎn)位置信息的接入及Wi-Fi熱點(diǎn)設(shè)備實(shí)時(shí)工作狀態(tài)接入等，并實(shí)現(xiàn)以上接入信息的落地存儲(chǔ)。

3.3.6 設(shè)備管理模塊

設(shè)備管理模塊負(fù)責(zé)注冊(cè)、連接和管理建筑物中的各種設(shè)備。其提供了一套統(tǒng)一的接口和工具，用于設(shè)備的身份驗(yàn)證、配置和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。通過(guò)設(shè)備管理模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物中的設(shè)備進(jìn)行集中管理和遠(yuǎn)程控制。

3.4 可視化Three.js方案

3.4.1 場(chǎng)景設(shè)置

將場(chǎng)景設(shè)定在大型園區(qū)內(nèi)部，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集園區(qū)內(nèi)某5層大型生產(chǎn)工廠建筑的各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)，并根據(jù)實(shí)際環(huán)境利用Three.js 制作三維場(chǎng)景，將數(shù)據(jù)以可視化形式展示，采集包括消防數(shù)據(jù)、安防數(shù)據(jù)、強(qiáng)弱電數(shù)據(jù)、多媒體設(shè)備數(shù)據(jù)及Wi-Fi 系統(tǒng)數(shù)據(jù)。擬定在工廠外部安裝溫度、濕度傳感器，用于判斷建筑外部的氣溫狀況。在工廠內(nèi)部，每個(gè)樓層均安裝了溫度、濕度等消防傳感器，監(jiān)控?cái)z像頭等安防傳感器，用電數(shù)據(jù)記錄、用電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等強(qiáng)弱電傳感器，此外還包括多媒體設(shè)備、Wi-Fi 系統(tǒng)的傳感器，檢測(cè)設(shè)備等是否啟用及運(yùn)行情況，并在重點(diǎn)區(qū)域（如生產(chǎn)車(chē)間等）著重進(jìn)行監(jiān)控，將最終數(shù)據(jù)可視化展示。

3.4.2 靜幀圖片渲染

在場(chǎng)景中選擇三維表現(xiàn)效果較好的位置取景，并調(diào)整好攝影焦距。此過(guò)程與現(xiàn)實(shí)過(guò)程中的攝影類(lèi)似，均采取“取景—調(diào)焦”的模式。利用Lumion3D 自帶的渲染工具，選擇渲染照片的像素即可生成靜幀圖片，此過(guò)程類(lèi)似于現(xiàn)實(shí)中攝影的“快門(mén)”。

3.4.3 三維動(dòng)畫(huà)生成

通過(guò)Lumion3D 中視頻編輯的功能，運(yùn)用關(guān)鍵幀記錄漫游位置設(shè)定漫游路徑，即在每一個(gè)關(guān)鍵幀的位置設(shè)定角度和焦距。在3D 游覽路線設(shè)計(jì)中，將工廠整體與內(nèi)部每個(gè)樓層間進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，可切換每個(gè)樓層查看內(nèi)部傳感器位置及實(shí)時(shí)返回事件，并將當(dāng)前突發(fā)故障的樓層以高亮顯示，可及時(shí)點(diǎn)入樓層查看故障信息。通過(guò)添加Lumion3D 自帶的渲染特效，可調(diào)整建筑的外觀以達(dá)到更好的渲染效果。

4 項(xiàng)目效果

通過(guò)試驗(yàn)獲得了以下結(jié)果和分析。

（1）數(shù)據(jù)采集。建筑物群內(nèi)部各樓層的系統(tǒng)（包括消防、安防等）數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定，包括數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、正確性、異常情況等。

（2）數(shù)據(jù)接收。各類(lèi)數(shù)據(jù)（包括消防數(shù)據(jù)、安防數(shù)據(jù)等）傳輸穩(wěn)定，具備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性、正確性，異常數(shù)據(jù)反饋及時(shí)且準(zhǔn)確。

（3）數(shù)據(jù)展示。各類(lèi)數(shù)據(jù)（包括消防數(shù)據(jù)、安防數(shù)據(jù)等）查看便捷，界面交互性強(qiáng)，操作易上手，同時(shí)，易查看異常數(shù)據(jù)，并且用戶在移動(dòng)端接收的異常事件工單具備準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性，可針對(duì)問(wèn)題及時(shí)采取措施。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該物聯(lián)網(wǎng)框架設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有良好的用戶體驗(yàn)、高效的數(shù)據(jù)處理能力和穩(wěn)定的系統(tǒng)性能?；谖锫?lián)網(wǎng)的建筑物3D 可視化框架為建筑物管理和運(yùn)營(yíng)提供了一種強(qiáng)大的工具和平臺(tái)。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑物3D 可視化技術(shù)是近年來(lái)研究的一個(gè)重要方向。通過(guò)將傳感器和設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物內(nèi)部和外部環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，從而使管理者可基于3D 可視化技術(shù)，更直觀地遠(yuǎn)程監(jiān)控建筑物的情況，并及時(shí)做出相應(yīng)處理，輔助管理者更好地監(jiān)測(cè)建筑物的運(yùn)行狀態(tài)和能源消耗情況。未來(lái)隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用場(chǎng)景的擴(kuò)大，相信這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。