基于5G+BIM的智慧楼宇运营管理平台设计与实现

中国联通智能城市研究院 北京 100048

1 研究背景

自2010年“智慧城市”愿景提出并进入中国以来，我国政府高度重视并将其上升为国家战略，各地智慧城市建设取得了丰硕成果[1]。2020年，政府工作报告首次提出“新型基础设施建设”(简称“新基建”)，其中5G基建、大数据中心和人工智能等将成为城市数字化转型发展的新动能，助力城市智能水平进一步发展跃升。在宏观范围城市智慧化建设规模化发展的同时，智慧城市发展的一个重要趋势是空间场景逐渐从大中型城市向“微单元”下沉，楼宇、园区、社区等“城市微单元”作为城市的微观缩影和功能载体，空间范围较小、业务场景明确、管理职责清晰，更利于5G、物联网、AI、大数据等前沿技术的集成应用落地，成为城市数字化转型和智慧化建设的重要实践[2]。

智慧楼宇是集成数字化技术、信息通信技术，开展建筑空间、智能设备、信息化软件和一体化设计及应用，实现楼宇智能信息集成、设备优化控制和空间综合管理[3]。目前智慧楼宇整体建设水平参差不齐，主要存在物联设备不足、信息系统割裂建设、数据孤岛现象严重、智能化水平不高等问题。BIM(Building Information Modelling，建筑信息模型)是对建筑物构件、几何特征和功能特性进行三维参数化表达的新型数据模型[4]。BIM模型可为建筑物的规划设计、施工建设和运营维护管理等阶段，提供精细化三维数据模型资源，辅助建筑物全生命周期的智能化管理[5]。基于此，本文设计并研发了基于5G+BIM的智慧楼宇运营管理平台，在BIM模型构建的楼宇三维空间底座基础上，对接5G网络的楼宇智能物联设备和信息系统，融合楼宇运行数据，集成业务应用系统，打造场景化智能识别能力，实现智慧楼宇的态势全面感知、问题智能识别、事件协同处置和决策辅助支持等功能，助力实现楼宇运行管理的降本增效，提升楼宇智能化水平。

2 智慧楼宇运行管理平台研究

2.1 智慧楼宇运营管理平台内涵

智慧楼宇运营管理平台是楼宇的智能大脑，平台融合5G、物联网、人工智能、BIM、大数据等新技术，以楼宇BIM模型为三维空间基底，以数据驱动为内核，以智能感知为触手，以智慧决策为目标，构建可视可管可控的智能管理决策中枢，实现楼宇人事物的一体化管理和管理业务流程的互联互通，为楼宇的业务管理部门和物业管理单位提供全面的楼宇运行态势可视化展示、资源的统一管理和内部各类事件的协同处置等服务，助力楼宇提升品牌经济效益、服务管理效能和科学管理水平。

2.2 智慧楼宇运营管理平台特征

1)场景全映射：基于楼宇BIM精细化三维模型构筑的空间基础，结合二三维可视化技术，对楼宇建筑构件、外立面、空间结构、管网管线、地下停车场、智能设施等地上地下、楼内室外等全空间实体进行数字建模和可视化呈现，同时建立数据驱动的场景更新机制，实现楼宇场景的高保真还原和全面映射。

2)态势全感知：通过融合楼宇5G+物联感知设备的部署和内部垂直子系统的数据，平台将楼宇感知的颗粒度细化到楼内的细分空间、单体设备和人员个体，以三维场景为空间承载，全景展示、监测园区的综合态势及各项细分领域运行状态。

3)数据全融合：打造楼宇数据中枢，突破楼宇内部各子系统的数据孤岛，通过楼宇运行数据的全量整合和交叉互联，为管理者提供更加全面客观的楼宇运行的数据依据。

4)业务全可管：平台运用企业级系统集成技术，打破楼宇各业务部门和各垂直系统之间的界限，打通系统之间的数据接口和信息接口，形成“感知触发—大脑指挥—系统执行”的事件处置流程，形成楼宇事件快速响应、协同处置的业务闭环，进一步提升楼宇整体协调总控和综合统筹管理能力。

5)能力可扩展：平台具有可灵活拓展的特点，在楼宇应用的基础上，进一步与GIS结合，可为园区、社区、小镇、楼宇、商业街等相关“微单元”场景提供综合管理应用。

3 平台设计与技术实现

3.1 用户及需求分析

智慧楼宇运营管理平台的主要用户包括：物业管理人员、楼宇管理单位行政人员、高层领导和系统管理员。在平台设计之初，深入开展需求调研工作，了解各类用户对平台的理解和期望。

1)物业管理人员。物业管理人员直接负责楼宇运营维护，对平台的主要需求是全面、实时掌握楼宇内部空间和设施的运行状态，尤其是希望第一时间获知楼宇内部突发事件和异常情况，并协同各业务系统和部门开展事件协同处置，要求平台具备态势精细化感知、事件智能感知预报和协同处置等功能；同时物业管理人员希望平台在设备设施维护管理方面提供指导，要求平台在设施管理方面加强数据获取和分析能力，提供相关数据决策建议。

报应观主张是刑罚存在的正当性根据。实施刑罚一方面可以平复被害人及其家属的气愤心理，另外一方面可以满足社会群众的公愤心理，最终满足整个社会的报应诉求。报应诉求不仅是一种情感上的需求，更是一种安全需求与公正需求。对于民众而言，当杀人者被处以死刑时，不仅意味着民众的气愤心理得以抒发，也意味着社会上少了一颗“毒瘤”。通过剥夺他人的生命使其不复存在，从而永久地保障社会秩序的稳定；通过死刑的执行，也使得公正得到最切实的贯彻。

2)楼宇管理单位行政人员。楼宇管理单位行政人员负责整体了解楼宇运行状态，并对楼宇安防、设施、能源、环境、停车、招租等各方面情况进行周期性数据汇集分析，要求平台具备数据集成管理、统计分析和自动等功能；同时，行政管理人员需要通过平台，发现楼宇管理工作的业务痛点和薄弱环节，作为管理水平提升的参考，要求平台针对业务需求进行更深入的数据分析挖掘，在楼宇空间优化、节能减排、人员管理等方面提供高层次数据分析结果，辅助楼宇管理的统筹动态调度。

3)高层领导。高层领导期望平台作为楼宇的形象展示窗口，展示现代化楼宇的智慧化水平和品牌价值，要求平台具备较高的可视化水平和三维特效能力。同时，高层领导需要通过平台，全面了解楼宇运行实时状态，一图掌握全局，要求平台提供综合态势总览、数据驾驶舱等功能。

综上所述，各类用户及需求如表1所示。

3.2 平台架构设计

基于需求分析成果的分析与归纳，按照“统一规范体系、统一安全标准、统一集成平台”的基本思路，构建智慧楼宇运营管理平台总体架构，包括数据集成平台、应用能力平台、AI使能平台和业务可视化平台，如图1所示。

表1 用户及需求分析汇总表

平台采用前后端分离的架构设计：前端采用Vue框架搭建，部署时使用Tomcat进行发布；后端采用ASP.NET Core搭建和发布服务；前后端都支持跨平台运行；数据库系统采用MySQL。

3.3 BIM模型可视化应用

平台开发采用B/S架构，以开源Web 3D技术Three.js构建可视化展示和交互操作框架。在Three.js中，基于3个基础组件：场景(Scene)、相机(Camera)和渲染器(Renderer)，完成绘图、相光源、加载器、纹理、材质和动画特效，进行三维场景的开发[6]。BIM模型格式众多，需要进一步进行数据轻量化处理、格式转换和结构优化处理，并保证数据的完整性和一致性，使BIM模型能够应用到Three.js技术框架，并提供良好的可视化效果和流程的加载效率。

图1 智慧楼宇运营管理平台架构设计

图2 BIM模型可视化应用流程

3.4 数据集成子系统

数据集成子系统是智慧楼宇的核心数据资源池，打破设备和系统间的数据孤岛，汇聚智慧楼宇内部多源异构的运行数据，并按照统一的数据标准，进行数据加工处理，形成规范化体系化的数据结构，以数据服务的方式按需提供给智慧楼宇运营管理平台和其他垂直系统。数据集成子系统汇集的数据包括二三维空间数据、楼宇基础数据、楼宇物联设备的感知数据和垂直系统的业务数据。二三维空间数据包括楼宇BIM模型、楼宇CAD数据等，作为智能运行管理平台的空间底座。基础数据包括楼宇内人员、设备、资产等准静态数据，该类数据在一定周期内不变或者发生极少变化。物联感知设备的数据包括摄像头监控视频、烟感、温湿度传感器、智能水电表、门禁、闸机等监测感知数据，数据更新频率高，通信网络包括4G、5G、NB-IoT、Zigbee、Wifi、Lora等。垂直系统的数据包括楼宇自控、安防监控、空间管理、会议室管理、OA系统、智能餐厅等业务数据，按照系统业务特征，合理设置数据采集对接的周期和方式。

数据集成子系统提供数据接入与汇聚、数据清洗、数据管理、数据共享交换以及数据算法支撑等能力，对楼宇各类数据进行抽取、装载和清洗，并对多源异构数据按照统一标准进行格式转换，并建立数据关联映射关系；形成空间数据库、基础数据库、业务数据库、IoT数据库、统计数据库、元数据库等各类主题数据库，支持数据增删改查、检索、导航等管理功能；支持系统间的数据共享交换，提供数据算法能力，支持各类数学分析模型算法，为楼宇数据的统计分析和深度挖掘提供技术支撑。

3.5 业务使能子系统

业务使能子系统提供智慧楼宇运行管理平台运转的基础能力。GIS引擎和BIM引擎，能够支撑地理信息和建筑模型信息的加载、处理、展示和空间分析。可视化引擎，提供设计组件和图表控件，对建筑三维模型、GIS地图进行渲染，并实现三维场景特效，同时支持常用的数据图表、图形、关系图谱等组建，将楼宇运行动态、静态以及空间、统计等多类数据进行融合分析和展示，增强数据的可读性和可视化的美观性，支持二三维一体化展示和联动交互。消息总线、规则引擎、流程引擎等，提供服务统一集成、调度与管理能力，保障系统间有序的协调联动。统一身份认证实现对用户管理、用户认证、单点登录、权限管理等功能。

3.6 AI应用子系统

围绕楼宇智能感知、智能分析业务场景，打造场景化的AI图像智能识别能力引擎，为智慧楼宇运营管理业务注入AI智能识别、感知和预测的能力。子系统支持对静态图像和动态视频数据的识别能力，包括人脸识别、行为识别、火情识别、人数统计、车辆特征识别等场景，并将场景化识别能力封装成视频分析服务，供系统调用。

3.7 业务可视化子系统

智慧楼宇运营管理平台包括运行态势感知、物业服务保障、事件调度指挥、决策分析辅助四大模块，功能体系如图3所示。

1)运行态势感知

运行态势感知功能，在楼宇BIM构筑的三维模型基础上，将楼宇内部物联设备和业务系统数据与空间挂接，并基于楼内的5/4G、wifi等网络实现楼宇运行数据的实时高速传输，集中展示楼宇时空多维运行态势，从安防、环境、能耗、停车、人员等多方面监测楼宇运行状态，提供实时监测数据、实时报警提醒、历史数据查询等，帮助管理者实时掌握楼宇运行动态，根据运动动态安排服务和管理工作，针对出现的问题采取合理的措施，确保楼宇内的良好环境和秩序。以停车场实时监测为例展示运行态势感知功能，如图4所示。

2)物业服务保障中心

图3 业务可视化子系统功能框架

物业服务保障功能是针对楼宇运行和管理最基础的需求，BIM模型可反映楼宇内部精细的空间布局、设施设备和重要资产的分布，结合动态监测数据，保障楼宇基础设施的正常运转，满足楼宇空间规划、布局、分配及动态调整的需求，确保重要资产的安全性。物业服务保障功能包括空间管理、资产监视、设施监控。空间管理监控楼宇内工位、展厅、餐厅、会议室的利用情况，以日、周、月、年为周期统计分析空间利用情况，分析各类空间占用的规律。资产监视针对楼宇内服务器、精密仪器等大型、重要的设施，结合RFID和AI识别技术，监控资产分布位置，当资产发生异常位移或出楼现象，平台会即时报警并传送至相关人员处置。设施监控功能如图5所示，对楼内摄像头、电梯、空调、水泵等设施的运行、保养和维修等情况进行监控和分析，形成设备保养日历，可按周期自动提示物业人员进行特定设施的维护，分析设施故障率，优化设施采购维护方案。

3)事件协同处置

事件协同处置实现事件的智能识别、定位分发、跟踪、回执、分析等，如图6所示。楼宇内事件从大类上划分可包含常态事件和应急事件，常态事件是指设备的巡查养护、周期性维修等有计划性和规律性的事件，应急事件是指诸如异常人员入楼、设施突然损坏、感知设施报警等事件。当楼宇发生事件后，平台可利用阈值告警和AI智能识别等方式，自动识别事件类型，并快速完成事件在BIM模型上的空间定位和属性挂接。平台依靠业务使能子系统提供的服务统一集成调度能力，实现事件协同的处置流程，将事件同步发送到物业人员及其他相关管理人员A P P 或手机短信中，待事件确认后，平台可按预案设定或人工选择，将联动处置指令或控制指令发送各子系统和设备，并跟踪事件处理进程，形成事件一体化快速处置的业务闭环。

4)决策分析辅助

决策分析辅助功能针对楼宇管理和运行维护中的痛点问题，如能源利用浪费、空间布局不合理等，为管理层决策提供数据依据。它基于大数据的积累，利用数据集成平台提供的算法模块，结合BIM模型的空间分析能力，进行时空数据挖掘和数据建模，可以从数据层面诊断和预测楼宇存在的各项问题，给出优化建议。决策分析辅助功能目前在空间规划辅助和能耗优化辅助方面，开发了数据分析建模和优化建议功能，后续可针对楼宇其他问题进一步建立数学分析模型。空间规划辅助功能针对楼宇内部工位资源紧张问题，通过分析工位的利用效率，优化工位使用策略，核算流动工位与固定工位比例，提升工位利用的敏捷性和效率。能耗优化辅助功能通过对设备和空间的用能分析，发现高能耗设备和高能耗区域，优化设备采购和维护保养策略，核算节能效果，设计楼宇节能远景方案，如图7所示。该功能提供领导决策驾驶舱与楼宇运行关键指标(KPI)，为高级领导和楼宇行政管理人员全面了解楼宇运行情况、分析运行规律提供全景数据视图。

图4 停车态势功能页面

图5 设施监控功能页面

图6 事件协同处置功能页面

3.8 建设效果分析

本文设计的智慧楼宇运营管理平台既包括标准化软件产品部分，也可根据客户的实际需求进行新功能的定制化设计及功能开发，并具备向高科技园区、高端商业街等场景平滑演进的能力。平台已在北京某办公楼、浙江杭州某步行街区实现了项目落地，技术可行性和功能性能可靠性已经过一年的实践验证。通过对平台应用案例的分析，平台可实现基于5G的海量物联设备连接和数据传输、基于高精度三维模型的楼宇态势的直观可视和基于数据集成的全业务要素展示，从而让管理者系统掌握园区整体业务情况；打破传统楼宇信息化中各类独立建设的业务子系统之间的数据孤岛和业务壁垒，可以实现跨系统、跨业务、跨部门的事件处理、设备控制、业务联动，提高楼宇智慧化管理效能；可基于大数据分析和智能算法对楼宇状态进行科学预警和研判，提前给出预测预警，提升科学决策水平。经过项目的运行效果分析，产品可为用户提升楼宇管理效率约15%，降低人工运营成本约20%。

4 总结与展望

本文对智慧楼宇综合管理内涵与特征进行了研究，详细分析了智慧楼宇相关用户方和业务需求，提出了一种基于5G+BIM的智慧楼宇运营管理平台架构设计、功能设计和实现方案，重点验证了BIM模型在智慧楼宇运营管理平台可视化应用的技术路线。平台成果已在部分城市的地标建筑、高端商务楼宇等实现了落地应用并经实践验证，通过平台建设，可有效提升楼宇、街区等“城市微单元”的智慧化管理水平，实现降本增效。

图7 能源优化功能页面

随着新基建工作的深入推进，5G、AI、大数据等技术的发展，BIM和CIM技术进一步普及，物联感知水平和数据传输能力与效率能力将不断提升，智慧城市将进一步向更高级的数字孪生城市演进，城市的管理将从宏观大场景进一步向精细化的微单元层面下沉。基于此，智慧楼宇的市场将进一步发展扩大，智慧楼宇运营管理平台的需求将进一步增加，平台将发挥建筑物大脑的作用，持续提升数据汇聚、智能感知、应用融合、智能控制、仿真推演和决策辅助等方面的能力，实现数据驱动智慧运营，助力楼宇智能化高速发展。