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)

1 智慧建筑系统集成内涵与现状

“系统集成”英文是System Integration，简称SI。系统集成作为一种新兴的服务方式，是近年来国际信息服务业中发展势头最猛的一个行业。系统集成的本质是最优化综合统筹设计。在IT领域，所谓系统集成，是根据客户的具体业务需求，将硬件平台、网络设备、操作系统、工具软件以及按客户需求开发的应用软件，集成为功能和信息相互关联的IT系统。在智能建筑领域，伴随着智慧城市的蓬勃发展，“系统集成”正在逐渐成为智能化工程的“标配”和“刚需”，也正成为建筑科学领域研究和关注的热点。

我国国家标准《智能建筑设计标准》(GB/T50314—2000)中规定：系统集成(SI)是将智能建筑内不同功能的智能化子系统在物理上、逻辑上和功能上连接在一起，以实现信息综合、资源共享。一般认为，智能建筑的系统集成从概念上讲，有广义系统集成和狭义系统集成两种。广义系统集成强调的是以建筑物为基础，结合水暖电以及运营和服务等多方位的全面集成。狭义系统集成则仅限于弱电系统的集成，也就是BMS(Building Management System)层次的系统集成。BMS系统集成的本质是实现各个集成子系统之间的信息交换、对各集成子系统实行统一的监督管理及控制。

智慧建筑系统集成最初的也是最基本的目的在于解决独立系统造成的“信息孤岛”现象。智能建筑系统涵盖的内容相当广泛。据不完全统计，当前智能建筑涉及到的不同子系统已达30多个，包括楼宇自控、安防系统、消防报警系统、门禁系统、公共广播等，而这些系统在智能化初期基本都是单独建设，采取相对独立的技术路线、系统设备和控制软件。这样使软硬件之间、系统与系统之间、以及系统运行与实际管理之间相互分割，造成资源浪费，形成了一个个“信息孤岛”，难以适应客户综合监控与集中管理的要求。于是，具有统一软件平台的智能建筑集成化管理系统应运而生。系统集成的目标就是要把不同功能、不同技术、不同厂商、不同要求、不同操作平台，不同接口的不同设备和系统，用统一的系统平台连接起来，协同运转，最终实现一体化管理，从而提高整个建筑的智能化与信息化水平。

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

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，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集成

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理的能力。

(3)基于子系统并行和OPC方式进行系统集成

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，最终实现纵横交织的透明化互联互通。

数据的流动是一个建筑智能化系统的生命源泉。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、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

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，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，CPS将让整个世界互联起来。CPS目前已被列为美国研究投资的重中之重。在德国，CPS同样被认为是工业4.0的基础和内核。

数字孪生(DT，Digital Twin)的概念源自工业制造领域。数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生七要素可总结为：物理空间、数字空间、数据、模型、控制、管理、服务。美国国防部最早提出将Digital Twin技术用于航空航天飞行器的健康维护与保障。Digital twin最为重要的启发意义在于，它实现了现实物理系统向信息空间(赛博空间)数字化模型的反馈。这是一次工业领域中逆向思维的壮举。从基于数据流和业务流的控制系统角度来看，只有带有反馈回路的系统才能真正实现数据全生命周期跟踪，才是真正的全生命周期概念，才能真正在数据全生命周期范围内保证信息世界与物理世界的协同。智能系统的智能首先要感知、建模，然后才是分析推理和智慧决策。各种基于数字化模型的仿真分析、数据挖掘及人工智能应用，都是为了实现与现实物理系统的更好适配。如果没有Digital twin对物理实体的模型化描述，所谓的智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)、建筑物理实体、建筑信息虚体三者的融合。在以海量大数据、人工智能、5G物联网、区块链可信计算为主要技术代表的智能时代，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。

图1 基数字孪生的智慧建筑系统集成模式

基于数字孪生的新型智慧建筑系统集成参考模型，即数字孪生建筑系统集成参考模型如图2所示。

图2 数字孪生建筑系统集成参考模型

参考模型包含五个层次：单元级、单系统级、集成系统级、企业级、商业级。每个层级内部均可采用数字孪生，从而实现多个颗粒度上的数字孪生。

单元级系统集成：从虚拟建筑设备的维度实现对建筑设备的生产要素、运行过程、维护活动等的控制与管理。

单系统级系统集成：单系统主要包括消防、安防、楼宇自控及其所包含的更低一级子系统。实现物理子系统与虚拟子系统的双向映射与实时交互，实现物理子系统及虚拟子系统的全要素、全流程以及多业务数据的融合。

集成系统级系统集成：构建智慧建筑集成管理系统(SBMS)云平台，使建筑具备虚实联动、数据驱动建设、管理及运营的能力。基于数字孪生进行建筑工程全生命周期管控、调度及决策，探索最优化建筑管理新模式。

企业级系统集成：构建企业资源计划系统(ERP)云平台，主要实现客户关系管理(CRM)和供应链管理(SCM)。使智能建筑集成系统资源和信息与企业管理系统有机融合，探索最优化企业管理新模式。

商业级系统集成：在智慧建筑集成管理系统和企业资源计划系统基础上构建商业级智慧建筑集成管理系统(BI-SBMS)云平台，使建筑具备商业智能能力，实现建筑智能经济生态。

基于数字孪生的智慧建筑集成系统的一个突出趋势是共享化。在共享智慧建筑集成系统领域，设施、工具、信息、数据、服务等都可以通过共享平台和共享模式实现共享和交换，从而使得以上资源加速流转，发挥更大作用，取得更大经济效益。共享模式是破解资源短缺，实现高效发展的重要途径，无论是体量还是运营模式及种类，智慧建筑系统集成领域都存在极大发展空间。以智慧建筑集成系统云脑为共享中心的智慧建筑集成系统共享模式如图3所示。

从技术实现层面来看，需要以数字孪生系统组态软件平台为中心，衔接物理孪生体空间中的部件要素和数字孪生体仿真系统。组态软件平台通过程序实时比较信息系统和物理系统两个空间中的参数值，计算虚实系统的误差，在软件后台实现基于智能算法的误差自动校正、资源自动配置及虚实双系统自动调节与控制。

图3 智慧建筑集成系统共享模式

图4 基于组态软件平台的数字孪生建筑集成系统

5 总结与展望

目前很多系统由于技术上的障碍无法实现预期的集成或只能进行“假”集成，系统之间并没有完全按目标实现互连互通，往往一个大系统中有若干子系统在独立运行，整个工程只是硬件上的简单堆砌。系统集成不应该是“1+1=2”的简单叠加，而应是在系统思维指导下的优化运筹和智能约简。数字孪生系统集成法具有集大成的特点，基于数字孪生理论和方法发展智慧建筑系统集成，有可能在未来成为智慧建筑系统集成理论与工程实践的主导模式。建筑数字孪生体从数据和模型的角度，依据复杂系统控制与决策理论为建筑信息模型提供了科学性和落地性都极强的解决方案。基于数字孪生建筑和建筑信息模型，可构建出由模型到系统再到体系的微观与宏观一体化的智慧建筑系统集成模式，真正实现基于模型的建筑系统工程。

城市信息模型(City Information Modeling，CIM)是以数字孪生为理论基础，以城市数据为信息基础，以城市空间地理信息模型、BIM模型及城市智能计算系统模型等多模型为核心，以数据为线索，建立起的服务于城市场景应用的数字孪生体。建立城市信息模型的目的是使城市信息得到更加科学、严谨、统一、明确的表达，为城市建设与治理提供数字引擎。城市信息模型试图从城市建模的角度为城市提供更加科学严谨的表达，以“信息”为主线贯穿城市空间，使物理分散的城市在信息空间中实现逻辑集成，因此能够更好地优化城市、管理城市、治理城市。CIM应依托数字孪生理论和技术建立，宜采用基于模型的复杂系统工程思维。CIM的建立可由数字孪生建筑互联产生，这也是CIM构建的一条最可行的路径。