数字孪生CIM平台在黄帝故里景区应用研究

祁 迪 吴 范

(中铁十五局集团电气化工程有限公司 上海 201605)

1 引言

进入二十一世纪以来，我国国民精神文明建设进入快速发展期，旅游业规模不断提升，其在经济发展中的地位愈发明显。随着智慧城市理念的提出，景区管理者逐渐把目光投向通过物联网、数字化等手段进行景区更新、历史文化保护、景区管理方面。如何通过新技术手段进行景区管理，使景区保护与发展携手同进，在此背景下，“智慧景区”建设应运而生[1]。

黄帝故里核心景区以国家旅游局对旅游信息化建设的要求为指导，以先进信息技术为依托，结合景区实际，建立以数字孪生CIM平台为核心的管理服务、营销、生态保护三大体系，使景区由传统管理模式转变为智慧化管理模式，变分散为协同、变多级为扁平化、变粗放为精细，实现“资源保护智慧化、经营管理智能化、产业整合网络化”，树立先进的管理和科技旅游品牌[2]。

2 数字孪生平台建设背景

BIM技术在基建领域逐渐趋于成熟，人民对城市、旅游信息化建设需求日益增加，在此基础之上更进一步的CIM平台展现出强大生命力。2019年至2020年，我国CIM相关招标数量为24个，到2021年9月达到96个，总金额达20.16亿元。相较于国内，国外在基建领域对CIM技术的研究仍处于滞后阶段[3]。

3 数字孪生平台定义

数字孪生CIM平台基于数字孪生理念，借鉴并融合3D可视化和CIM(城市实时信息模型)两种技术，依托园区真实全景，建立线上三维智慧园区，1∶1还原园区内部景观及建筑楼层内部结构。实时接入设备采集数据，直观地呈现园区内部设备工作状态和设备实时数据，包括设备的基础信息、客流出入数据等，实现生产运营可视化分析。用户也可通过三维可视化平台与设备联动，实时了解园区情况，实现一定程度上的平台设备反控，最大程度的达到“可视”“可管”“可控”目标，最终达到高效、安全、智能等目的，为实现“一屏化管理”奠定基础。

3.1 数字孪生理念

数字孪生理念通过物联感知操控、全要素数字化表达、可视化呈现、模拟仿真推演等，凸显数字孪生价值和突出精准映射、虚实交互、软件定义、智能干预等核心要素，形成数字孪生的“能力空间”。数字孪生技术能在虚拟网络大数据平台基础上提供一个可视化数据平台，通过对目标的数字化模拟，使设备参数及运营过程展示于眼前。

3.2 3D可视化

3D可视化是一种表征形式，对数据体属性进行分析，通过适合的描述方式，将方便分析与理解的数据进行展示。在黄帝故里数字孪生CIM平台建设中，3D可视化理念主要体现在三维地图浏览、可视化查询、空间查询、多形式级别渲染、地下管线三维仿真渲染中[4]。

3.3 CIM

CIM中文名为城市信息模型，基于建筑信息模型、地理信息系统、物联网等技术，可整合城市内外、过去及未来多维度数据，是智慧城市最终表现形式。

4 数字孪生平台组成

数字孪生CIM平台主要由软件系统构架和硬件设施搭设两部分组成，通过设计好的园区网络进行联通，确保用户能使用云平台与各物联网设备进行交互[5]。

4.1 软件系统构架

园区平台软件系统构架由上至下分为技术层、视觉表现层、功能交互层、数据接口层、拓展层五个层级，见图1。

技术层采用B/S型兼容性强、可跨平台操作的架构，建模基于WebGL技术，采用ZTMap3D可视化引擎实现模型编译，将三维模型嵌套在HTML网页，最终呈现于大屏幕。

视觉表现层通过建模素材对设备进行线上仿真建模，并对模型进行统一规范化处理，以便后续导入模型库实现项目扩展。

功能交互层的主要内容是对反控功能和JS点击事件的描述。反控功能可实现虚拟世界到物理世界的映射；JS点击事件功能可使用户拥有一个良好操作体验感，对整个场景的缩放及镜头聚焦、菜单切换，通过已设计好的不同应用场景，更加直观地展示用户所需数据。

数据接口层采用WebScoket协议，通过后台接口数据的传输，形成整个数据链路流通闭环。共划分为4个步骤，即三维渲染、系统前端展示、数据交互、三维目标。

拓展层的核心业务是通过可视化编辑器快速设置大规模物联网设备。通过编辑数据导出的JSON格式场景数据，包含三维模型地址(或编号)、设定位置、朝向方位、缩放大小、编号、类别、简介等信息，可手动复制到新项目中用于新建的数字孪生项目，也可保存到用户后台数据库中。

4.2 硬件设施搭设内容

园区平台硬件设施主要包含:各业务管理服务器、均衡服务器、CVR存储服务器、核心交换机、汇聚交换机、接入交换机、网络控制器、终端计算机操作台、AP、子系统终端设备(广播、LED信息发布屏、门禁、照明控制器、管道监测探头等)、各类电力通信线缆等。

4.3 园区网络设计

园区平台网络分为园区网络和设备网络两部分。通过综合布线、网络控制器和各级交换机，园区网络能够将终端计算机、AP连接到互联网上；设备网络能够将广播、监控、门禁等子系统连接到其对应的业务管理服务器上。园区平台网络是黄帝故里数字孪生CIM平台能够监测、控制各个终端设备的物理基础。

为实现园区网络稳定，按照以下原则进行设计:通过网络控制器对有线网、无线网进行统一管理:无线网络使用Wi-Fi 6 AP，实现室内外场景全覆盖；园区网络和设备网络物理隔离；核心交换机双机冗余。网络拓扑见图2、图3。

5 数字孪生平台业务功能

数字孪生CIM平台将业务功能划分为综合分析、智慧应用、应急指挥、智慧物业、景区营销、地下管线六个版块(见图4)，作为园区的指挥中心，数字孪生CIM平台监测维护着整个园区的运行状态。

5.1 综合分析

综合分析囊括热门景点排名、设备告警频次分析、景区进出通道实时数据分析、安防事件高发时段分析、厕所人流时段分析、景区客流来源分析等功能(见图5)。

5.2 智慧应用

通过平台实现3D多场景、多视角应用，全园区可通过创建不同的场景进行管理，也可以一站式管理方式实现园区信息跨地理(景区远程集中监控)的可视化展示。

智慧应用共计包含12个功能，本文着重对五个子功能进行描述(见图6)。

5.2.1 智慧安防

在黄帝故里景区数字孪生系统中，结合智能视频监控系统，可以直观展示景区内摄像头的空间布局及工况，实现人员轨迹追踪、人流量热力图、重点区域监控、异常行为识别、出入口体温监测。单点、多点选中可出实时视频或视频墙显示；支持展示摄像头告警快速定位，便于管理人员快速了解告警信息，迅速采取措施[6]。

5.2.2 智慧消防

通过三维场景将景区结构、内部楼层分布、疏散通道、疏散出口的分布以及消防控制中心位置和室内外消防设施具体分布进行显现，在景区发生突发事故时可通过系统准确找到该场所具体位置，掌握内部消防布局情况，通过视频监控、五方通话和公共广播及时对事发区域进行人员疏散[7]。

5.2.3 智慧告警

可以通过电子地图展现入侵报警设备分布情况，在电子地图上鼠标指向入侵报警设备图标，可显示位置、名称等信息，报警后弹出地图，并显示定位位置。

5.2.4 环境监测

电子地图实时展示采集设备的位置信息；实时监测前端采集设备状态，包括在线、离线状态；可设置报警阈值，报警后地图弹出视频图像，并定位位置；实时显示环境温湿度、PM2.5值、噪声值；支持与其他系统做联动关系[8]。

5.2.5 客流分析

对接票务系统，获取游客出入实时数据；游客密度超过设定范围时，联动相关安保系统及相关应急指挥预案；各重要场馆可实时显示客流密度情况；分析统计游客性别等画像数据；分析统计不同时段和日期游客数量特征。

5.3 应急指挥

5.3.1 综合调度

综合调度管理在数字化应急预案基础上，集智能安防系统集成，实现应急处置过程中的系统联动、辅助决策功能。

5.3.2 警情研判

对景区安全风险进行评估，建立预警机制，及时发布预警通报，通知保安实施危机干预。综合评估可根据平台分析评测模型、危险类型得出分析结果[9]。

5.3.3 预案管理

结合视频监控、公共广播等系统的调度，为应急指挥提供既定调度方案。

实现对各景区各种预案的查阅、修订、删除等操作。管理人员可以对预案内容进行合理更改，完成后重新分类归档。

5.3.4 应急演练

演练管理菜单可以提升处置突发事件的能力。同时平台通过对各类应急处置预案的反复演练，不断完善处置流程，得出更为合理、更近实战的应急预案，提高各类预案的实用性。

5.3.5 处置归档

管理人员可通过平台查看应急预案处置详情，包括关联的应急预案类型、负责部门、联动设备、处置人员及处置方法等信息。

5.4 智慧物业

包含维修管理、巡检管理、工单管理、设备维护四个部分，实现园区线上叫号、有序派单，从而使园区运维畅通无阻(见图7)[10]。

5.5 景区营销

景区各项景观三维图像通过网络支持跨终端展示；同时支持在景区设备网和整个互联网网页上同步发布展示，并实现VR浏览体验(见图8)。

5.6 地下管线

根据地下管线CAD图纸自动生成三维模型，并通过平台直观显示园区整个管网。其他功能包括地下管线三维仿真渲染、管线基本属性信息查询展示、管线监测数据对接显示、管线维修状态信息查询展示。

6 结束语

关于数字孪生CIM平台的学术研究尚处于早期阶段，我国基建领域率先开启了多项基于CIM的实践，但多集中于报批报建、智能制造、城市运行管理等领域，针对前期规划的探索成果尚不突出[11]。

黄帝故里数字孪生CIM平台开启了基于CIM建设智慧城市的孪生数字基底思路，本文重点阐述在应用阶段的实战成果，以期为智慧城市发展提供新的参考[12]。