第 12 卷 第 6 期 2020 年 12 月 Vol． 12 No． 6 Dec． 2020 基于数字孪生的智慧建筑系统集成研究 杜明芳 ( 清华大学信息国家研究中心，北京 100084) 【摘 要】在总结分析智慧建筑系统集成技术与行业现状基础上，剖析目前智慧建筑系统集成尚存的难点，提出基 于数字孪生理论的工程全生命周期系统集成模式，即智慧建筑数字孪生系统集成法。给出了基于组态软件平台的 数字孪生建筑集成系统开发实现方法，指出基于数字孪生建筑集成系统的一个突出趋势是共享化。设施、工具、信 息、 数据、服务等都可以通过共享平台实现共享和交换。建议城市信息模型( CIM) 宜采用基于模型的复杂系统工 程思维，在数字孪生建筑互联互通基础上建立，这也是当前快速构建 CIM 的一条可行路径。 【关键词】智慧建筑集成系统; 智慧建筑数字孪生系统集成法; 数字孪生建筑; CIM 【中图分类号】TU17 【文献标识码】A 【文章编号】1674 － 7461( 2020) 06 － 0044 － 05 【DOI】10． 16670 / j． cnki． cn11 － 5823 / tu． 2020． 06． 08 1 于弱电系统的集成，也就是 BMS ( Building Manage- 智慧建筑系统集成内涵与现状 ment System) 层次的系统集成。BMS 系统集成的本 “系统集成”英文是 System Integration，简称 SI。 质是实现各个集成子系统之间的信息交换、对各集 系统集成作为一种新兴的服务方式，是近年来国际 成子系统实行统一的监督管理及控制。 信息服务业中发展势头最猛的一个行业。 系统集 智慧建筑系统集成最初的也是最基本的目的 成的本质是最优化综合统筹设计。 在 IT 领域，所谓 在于解决独立系统造成的“信息孤岛 ”现象。 智能 系统集成，是根据客户的具体业务需求，将硬件平 建筑系统涵盖的内容相当广泛。 据不完全统计，当 台、网络设备、操作系统、工具软件以及按客户需求 前智能建筑涉及到的不同子系统已达 30 多个，包括 开发的应用软件，集成为功能和信息相互关联的 IT 楼宇自控、安防系统、消防报警系统、门禁系统、公 系统。在智能建筑领域，伴随着智慧城市的蓬勃发 共广播等，而这些系统在智能化初期基本都是单独 “系统集成”正在逐渐成为智能化工程的“标配 ” 展， 建设，采取相对独立的技术路线、系统设备和控制 和“刚需 ”，也正成为建筑科学领域研究和关注 的 软件。这样使软硬件之间、系统与系统之间、以及 热点。 系统运行 与 实 际 管 理 之 间 相 互 分 割，造 成 资 源 浪 我国 国 家 标 准《智 能 建 筑 设 计 标 准 》( GB / 费，形成了一个个“信息孤岛 ”，难以适应客户综合 T50314—2000) 中规定: 系统集成 ( SI) 是将智能建 监控与集中管理的要求。 于是，具有统一软件平台 筑内不同功能的智能化子系统在物理上、逻辑上和 的智能建筑集成化管理系统应运而生。 系统集成 功能上连 接 在 一 起，以 实 现 信 息 综 合、资 源 共 享。 的目标就是要把不同功能、不同技术、不同厂商、不 一般认为，智能建筑的系统集成从概念上讲，有广 同要求、不同操作平台，不同接口的不同设备和系 义系统集成和狭义系统集成两种。 广义系统集成 统， 用统一的系统平台连接起来，协同运转，最终实 强调的是以建筑物为基础，结合水暖电以及运营和 现一体化管理，从而提高整个建筑的智能化与信息 服务等多方位的全面集成。 狭义系统集成则仅限 化水平。 【作者简介】 杜明芳( 1979 － ) ，女，博士，副教授，研究员，主要研究方向: 模式识别与智能控制、机器人、无人车、大数据、数字 孪生、智慧城市、产业规划、数字经济。 基于数字孪生的智慧建筑系统集成研究 2 智慧建筑系统集成难点分析及数字孪生 系统集成法的提出 从智慧建筑集成化系统实际应用情况来看，目 前异构子系统间主要存在以下异构特征: ( 1) 硬件平台的异构。 从大、中、小型计算机到 工作站、个人计算机、工控机; 从现场总线、工业控 制网、局域网到广域网。 ( 2) 操作系统的 异 构。 有 DOS、Windows 3. 1、 Window 9. x、Windows NT、UNIX、OS /2、Linux 等。 ( 3) 数据库管理系统的异构。 有文件结构、Access、dBase、FoxPro、Oracle、Sybase、DB2、Informix 等。 ( 4) 开发工具的异构。 各个应用系统的开发工 具不同，可能会是汇编语言、Turbo C、Borland C、VC、 VB、PB、Delphi、Java 等。 “系统集成 ”，更确切地讲应该是数据的融合、 网络的融合、架构的融合、知识的融合。 目前智慧 建筑系统集成的难点集中在以下几个方面: ( 1) 管 理层与控制层的互联互通; ( 2) 异构网络之间的融 合; ( 3) 大数据背景下的实时集成与约简集成; ( 4) 可视化仿真模拟下的立体透明集成。 目前智慧建筑系统集成的几种主要方式及其 特点如下: ( 1) 以硬接点方式进行系统集成 45 口( 如 OPC 接口、Modbus 协议 ) 以平等方式集成到 中央数据库，管理层通过 BMS 系统的核心调度程序 对各子系统实现统一监控、管理。 这是目前公认的 最先进的手段，比起前两种，其优势不言而喻。 但 它只强调了“通过开放的工业标准接口 ”集成，没有 涉及到如果有些设备或平台不支持某些工业标准 的情况———在工程实际中，这种情况经常会发生。 另外，这种只靠标准协议实现集成的做法有很大的 局限性。很多时候子系统或中央监控平台并不能 提供标准协议接口，那么这种方案就彻底失效了。 以上经典系统集成方法各有优劣，仍在工程中 广泛使用。 但这些集成方法均不能解决建筑工业 化和建筑大数据时代智慧建筑系统集成的新需求。 新的时期，智 慧 建 筑 系 统 集 成 的 新 需 求 集 中 体 现 在: 能够实时可靠处理建筑大数据，能够满足建筑 工业化趋势，能够满足数据安全智享诉求，能够建 立在科学模型基础之上。 为此，提出基于数字孪生 的智慧建筑系统集成方法，该方法可满足新时期的 系统集成新需求，实现建筑工程全生命周期集成。 数字孪生综合图形图像学、系统工程、智能控 制、数据科学、地理信息系统等多学科的特点，面向 实际应用系统的数字化工程需求，提供以数据线索 关联、以多模型仿真的综合集成方法。 数字孪生系 统集成法 适 合 各 种 大 小 的 系 统，在 智 能 建 筑 系 统 中，从单个建筑构件、单个设备到大型建筑智能化 也称为以干接点方式进行系统集成。 即通过 增加一个设备子系统的输入 / 输出接点或传感器， 工程，都可以采用多粒度数字孪生集成思路进行不 同层级上的集成，然后再进行纵向集成，最终实现 接入另一个设备子系统的输入 / 输出接点进行集成。 ( 2) 以楼宇自控系统 BAS 为中央平台进行系统 纵横交织的透明化互联互通。 集成 泉。在一个现代化的建筑物中必须对各个方面的 数据进行交换和处理。 这些数据包括: 报警信息、 即楼宇自控系统通过计算机网络联接其他子 系统，楼宇自控系统可以监测、控制和管理其它集 成子系统。这就相当于将楼宇自控系统与 BMS 集 成系统合二为一。 优点是可充分利用 BAS 平台所 提供的强大的网关转换功能，将各子系统连通; 缺 点是一旦楼宇自控系统发生故障出现停机 BMS 集 成系统也就会瘫痪，失去对其余各子系统监控和管 数据的流动是一个建筑智能化系统的生命源 控制信息、监测信息、设定值更改信息、手动控制信 号、日程改变信息、系统维护信息、事件报告信息、 质量控制信息、能源管理和企业调度信息等。 对这 些数据的访问应该简单、快速和方便，因此必须实 现数据集成以降低通信的成本。 建筑物的用户对 系统会有不同的要求，不同的用户可以根据自己的 理的能力。 ( 3) 基于子系统并行和 OPC 方式进行系统集成 需要，在系统中、在家里、甚至在旅途中都能通过不 同的途径访问这些数据。 因此建筑物的各个子系 这是在总结以上经验的基础上提出的，其核心 思想是: 将整个大系统分成管理层和控制层两个网 统必须能集成运行、简化操作、降低成本。 为了满 足这些要求，集成化的系统必须建立在一种先进且 络层次，中央数据库位于管理层，各子系统位于控 制层，各子系统的实时数据通过开放的工业标准接 开放的技术平台上，不受当前或近期技术水平的限 制。既要采用当前最新的技术，又要考虑到未来的 46 发展; 既要降低建造和运行成本，又要易于管理，尽 快获得投资回报。 数字孪生系统集成平台可有效 满足上述需求。 3 信息物理系统与数字孪生 能系统就是无源之水。 4 基数字孪生的智慧建筑系统集成模式 如果将建筑看作一种物理系统，那么智慧建筑 系统集成就可看作是人 ( 人类智慧 ) 、建筑物理 实 信息物理系统 ( CPS，Cyber-Physical Systems) 是 一个综合计算、网络和物理环境的多维复杂系统， 体、建筑信息虚体三者的融合。 在以海量大数据、 5G 物联网、区块链可信计算为主要技术 人工智能、 通过 3C ( Computer、Communication、Control) 技术 的 有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感 代表的智能时代，智慧建筑系统集成的内涵呈现出 “五全”综合特征: 全域立体感知、全系统可信互联、 全体系精准管控、全数据智能决策、全景实时可视 知、动态控制和信息服务。 信息物理系统作为计算 进程和物理进程的统一体，是集成计算、通信与控 制于一体的下一代智能系统。 信息物理系统使用 信息虚体以远程、实时、安全、可靠、协同的方式操 控物理实体，采用人机交互接口实现人和信息物理 空间的交互，将人类智慧赋能到信息物理系统。 从 本质上说，CPS 是一个具有控制属性的网络，同时也 是一个具有网络属性的控制系统。 美国国家科学 交互。在以上特征不断深化发展的基础上，智慧建 筑系统集 成 正 朝 着 数 字 孪 生 建 筑 方 向 快 速 演 进。 数字孪生建筑是数字建筑与物理建筑的融合体，其 技术模式的核心是数据线程和模型体系。 数字孪 生建筑是智慧建筑系统集成的有效方法与根本路 径。基于 CPS 和数字孪生的智慧建筑系统集成模 式如图 1 所示。 基金会用“信息物理系统 ”一词来描述传统术语无 法有效说明的日益复杂的系统。 美国国家科学基 金会( NSF) 认为