智慧城市视角下智慧机电一体化的思考

黄雅如， 胡淑晶

(中国城市发展规划设计咨询有限公司，北京 100120)

0 引言

智慧机电是智慧城市组成部分，其研究不限于自身的技术发展，更有城市应用维度的提升。 本文以此为方向，重点关注思考智慧机电如何顺应发展，从服务城市、应用于城市的视角，实现转型思考、技术落地。

1 智慧城市与智慧机电

智慧城市从城市发展需求出发，运用数字、信息技术，有效整合各类城市管理系统，实现城市各系统间信息资源共享和业务协同，推动城市管理和服务智慧化。 智慧城市涉及城市政策、活动、产品、服务相关的个体和团体，内容包含城市建设、城市运维、城市运行、城市评价等各方面，是一种崭新的工作思考。

近年来，数字化信息化助推智慧城市发展，也推动影响建筑行业向智慧化变革。 智慧城市的CIM平台整合建筑BIM 技术、城市地理信息GIS 技术、物联网IOT 技术，成为城市动态信息的有机综合体，实现城市信息化集成和协同管理，并在城市建设和管理场景中广泛应用，成为智慧城市的重要技术支持。

智慧机电作为智慧建筑的一部分，是智慧城市的重要基础设施，响应城市需求，应用于城市场景。智慧机电统筹给排水、暖通空调、建筑电气、智能化、动力等专业，利用互联网、物联网、智能、BIM、GIS、LOT、AI、PC、大数据、数字孪生、数字融合、系统集成等技术，以技术服务城市，为城市提供节能环保、高效便捷、绿色健康、可持续发展的基础保障。智慧机电的思考逻辑如图1 所示。

图1 智慧机电的思考逻辑

2 智慧机电一体化的工作思考

2.1 智慧思维引领

智慧机电一体化的思考，重要的是智慧思维的引领。 首先从智慧的思考方向，智慧机电比传统机电更加高效高能，依托互联网、云计算、大数据、人工智能等数字化、信息化技术的加持，智慧机电系统具备更多的感知、研判、服务和能力。

第二以智慧城市为视角，智慧机电不仅是自身系统的强大，更需要开放与共享，能随时随处在与城市其他系统交互共融，共建智慧城市一张网，在城市大脑的指挥下，协同工作，不断提升城市综合能力和公共服务水平。

第三一体化，亦称综合化，智慧机电设计应打破原有单点单线、单专业、单技术工作的思维，以目标和成果为导向，改阶段工作为全程工作、改单专业工作为全专业工作、改串联工作为并行工作，通过统一标准、开放接口、集成设计、数据链接，实现系统集成、一体化工作的智慧目标。

2.2 智慧机电一体化的工作思考

(1)需求导向:随着技术的发展和人民生活水平的提高，使用者对机电系统的需求有以下几大变化:需求总量增加、需求种类增加、个性化需求增加、灵活性需求增加等。 面对需求的变化，需要重新审视梳理传统的技术体系，多维度全面响应需求变化，并以数字化、信息化技术为支撑，提供合理有效的技术方案。

(2)问题导向:机电系统服务从建成期开始即进入建筑寿命等长的长期服务周期，机电系统的合理性及服务效益均需从运行期体现，俗话说三分建设七分运行，智慧机电需要提前预估使用者的问题和困难并不断自学习。 伴随社会、技术、经济的快速发展，机电系统配置不足、配置不够合理、产品多元化更新等问题，不断成为城市发展中的痛点。 同时，作为智慧城市的技术落地端，智慧机电也面临与智慧城市相关系统协同的问题。 如建筑消防系统不仅服务保护建筑本身，也与城市消防、应急、医疗等智慧相关系统联动。

(3)结果导向:智慧机电应该秉持以终为始的设计思路，由于建筑工程建造复杂性，建筑机电也是复杂的技术系统，导致客户认知的技术难度较高，因此需要采用以结果为导向的系统思维，为客户提供包含设计方案、产品方案、实施方案、运维方案的一体化整体解决方案。 不同于传统建筑体系中各项服务分段，分步推进的串联式工作思路，智慧机电需要全程控制理念，合理选择技术、并行设计、有效控制成本，通过集成设计、系统整合，有效满足客户使用。

(4)目标导向:智慧机电以提供更好的服务为目标，不仅面向现在的城市，也要应对未来城市的需求挑战，是不断完善、持续解决问题的过程。 在智慧城市的框架下，既要针对应用场景一体化解决问题，又要考虑未来发展需求满足。 在保证系统安全前提下，拥有系统完善、外扩接口、容错和冗余设计的智慧机电，才可以让城市更有韧性，也是智慧机电的研究方向。 如科学确定城市及区域能源预留，需要综合总量预留、接口外扩、合理调峰、共享使用等技术措施。

3 智慧机电一体化的设计(技术)策略

智慧机电一体化既有思维的转变和引导，更要有落地的行动和策略。 智慧机电的技术策略要点是统筹各机电专业能力，融合数字化、信息化技术，面向应用端需求，实现多因子共目标、多资源共行动的智慧机电系统一体化。

3.1 以三维数字模型技术为支撑的全过程设计一体化

智慧机电涉及专业多、内外接口多、服务周期长，传统的设计思路和制图工具已不能满足要求。作为建筑信息化的新型技术，从设计阶段开始的正向BIM 设计，是智慧机电的重要工具和技术载体。正向BIM 设计，可实现可视化设计、全生命期性能化设计、管线综合、自动生成图纸、一键工程算量等功能，有效提高设计效率和质量。 另外，三维可视化的表达方式也便于综合解决项目复杂问题，实现项目决策、成本控制和技术综合。 同时，将正向BIM数据由设计传导至采购、制造、施工环节，加入材料、经济、施工等实施管理信息，搭载建筑物数字信息的“数字孪生”由此而生，可实现建筑全生命期的设计一体化和管理信息化。 图2 为某项目机电三维数字模型(BIM 技术)示例。

图2 机电三维数字模型(BIM 技术)

3.2 以智慧建造为方向的设计实施一体化

智慧建造是智慧城市、智能建筑的典型应用场景。 智慧建造充分利用制造、智能技术，建立和应用智能化系统，提高建造过程智能化水平，提升建造效率和建筑质量。 如装配式建筑采用标准化设计、工业化生产、装配式施工、一体化装修、信息化管理的建造方式，是近年国家大力推广的实践方向。 为实现智慧建造，设计师需要学习模数化、标准化、工业化的设计方法，了解制造、运输、安装等产业链相关行业技术水平，以BIM、互联网、AI 等数字化、信息化技术为依托，精准设计、数据链接，前置实施阶段二次设计和技术配合，实现从设计到建造的一体化。

3.3 以智慧运维平台为终端的设计运维一体化

项目运维管理以建筑物作为主体出发，通过物联感知(含传感器、RFID、摄像头、条码识别等)采集建筑完工数据、设备运营数据、建筑健康监测数据等现场数据，并对获取的建筑数据进行融合和处理，根据应用端需求制定不同的应用策略，实现现场子系统与运维管理应用端的融合链接，形成管理和监控一体化的智慧运维管理系统。 智慧运维管理平台为所有的应用提供共享的数据、存储、安全、计算，可实现实时监测、设备管理、故障预警及告警、统计分析、信息管理、移动终端等功能和应用，实现高效运维。

以智慧运维平台为终端，设计阶段应结合运维管理及智慧城市的要求，统筹项目本体设计、监控系统设计、运维管理等设计需求，梳理运维管理的建议与要求，合理确定运维平台建设的技术策略和设计方案，因而智慧机电设计不仅提供机电设备选择，也提出设备运维监控要求，梳理各子系统接口及融合关系，确定并实施运维平台整合策略，才能实现设计和运维一体化目标。 同时，单个运维平台面向城市，联动响应智慧城市需求，打造集监控、运维、管理为一体化的系统平台，平台架构示例如图3所示。

4 案例——智慧管廊项目实践

4.1 项目概况

玉溪市红塔大道综合管廊东起抚仙路，西至火车站，全长约2 500m。 中国建设科技集团参与投资并设计施工，完成包含项目本体、各监控子系统、管廊运维管理平台的整体建设。

图3 智慧运维平台架构示例

项目本体管廊分为两舱，分别为燃气舱和综合舱，入廊有排水及再生水管线、电力管线、通信管线、燃气管线共4 种管线类型。 管廊监控子系统由排水系统、通风系统、供配电系统、照明系统、火灾自动报警系统、环境监测系统、设备监控系统、安防监控系统组成。 管廊监控运维管理平台包含服务应用层、服务接口层、融合层、数据层、现场接口层共五个层次，采集机电系统、安防系统、人员定位系统、广播系统、巡检系统、通讯系统、消防系统等现场数据，通过服务接口层接入智慧平台。

项目于2017～2020 年间完成整体建设，目前已投入使用，运行状态良好。

4.2 项目一体化设计特点

(1)监控运维管理平台设计与管廊本体设计一体化(BIM 技术)

本项目从管廊本体设计开始到管廊运维管理设计实施阶段均以数字化(BIM 技术)作为支撑。管廊本体设计搭建BIM 模型，为3D 设计及运维提供可视化的模型场景。 运维管理平台设计在项目本体BIM 设计成果基础上，生成轻量化BIM 模型，如图4，结合设计及现场实施情况(图5)，将现场各入廊管线、配控站等设备和设施补充进入三维模型，进行准确的设备和设施定位。 同时，在三维模型中将管廊内设备及设施进行编码(管廊编号、舱室类型、防火分区、所属系统、设备类别、设备顺序号)，供运维管理人员在统一的三维模型中读取各种运维管理数据，使设备及设施管理更加精准、高效，实现了设计、实施、运维的一体化模式。

(2)监控运维管理平台设计与管廊监控子系统设计一体化

图4 BIM 轻量化运维模型示意图

图5 红塔大道综合管廊横断面图

监控运维管理平台包含了对管廊本体的监控、运维及管理功能，同时开放对外接口，与入廊管线单位进行数据互联。 为了解决系统间的数据及业务融合，建立统一的数据标准以及标准化的数据接口，现场各子系统通过DTS(数据传输服务)将各子系统资源的数据上报至API 服务。 API 服务为管廊运维平台对外的提供数据接口，主要提供资源数据上报、告警数据上报等功能。 平台子系统数据接入结构图如图6 所示。

图6 平台子系统数据接入结构图

监控运维管理平台不仅友好纳入了管廊原有监控系统，同时也预留标准化的、通用的统一接口以适应未来子系统的改变及入廊管线的增加，保障长周期下管廊运营运维工作的正常进行。

(3)监控运维管理平台软件设计与硬件设计一体化

平台使用的软件与硬件设计须一体化，真正完成系统搭建及整合，有效利用资源。 如本项目大屏的显示系统即为软硬件相结合的典型案例，大屏尺寸及数量的选择为硬件设计板块，如何控制大屏展示及页面切换功能为软件设计板块。 针对运维管理平台的软件设计功能及运维需求，选择大屏数量及尺寸，满足对各防火分区、设备、人员等进行监视和控制的运维工作要求，兼顾应用场景的展示功能，本项目大屏显示系统选用55 寸液晶屏幕，采用3×6 阵列方式排列，共18 块液晶拼接屏而成。 确定大屏(硬件)设计后，对18 个大屏的控制功能进行软件开发，实现页面展示功能，满足总览模式、设备监控、人员监控、管线监控、视频监控、环境监控、能耗监控、廊体监控等多场景应用。

本项目通过软件设计与硬件设计的无缝对接，使软件与硬件互为基础、相互促进、相互融合、相互约束，实现完整的系统功能。

4.3 一体化设计实施效果

管廊运维管理平台的设计从需求端入手，实现了运维管理平台与管廊本体设计的一体化。 从结果导向出发，将管廊各个监控子系统融合，实现了一体化、综合化的管理模式，避免管理混乱。 同时，从管理平台整体设计角度出发，解决了软件设计与硬件设计相融合的问题，实现了专业的设计集成，避免了资源的浪费。 通过运维管理平台的一体化设计，能够实现直观的现场监控、准确的情况分析、智能的事件处理、高效的人员管控、合理的工作流程，有效地提升了运维管理效率及应急处理能力。

5 结束语

数字及信息化技术迅猛发展，传统机电设计面临智慧化的需求和挑战，智慧机电应打破固有思路的局限，将智慧思维融入传统机电设计中，扩大专业视角和技术协同，形成一体化的智慧机电设计。同时，智慧机电是智慧城市一部分，智慧城市视角下的智慧场景及应用，将实现智慧机电的整合与突破，为未来机电技术的发展创造无限可能。