智慧园区三维数字化建设的探讨与设计

姚惠云

(江苏省基础地理信息中心，江苏 南京 210013)

0 引言

园区管理是全方位、多层次的管理。随着IoT、云计算、人工智能等技术的发展，智慧园区似乎又一次成为科技界关注的焦点[1]。目前，各式各样的产业园区、服务园区、物流园区项目层出不穷，但园区的智慧化还处在不断提升过程中。数字孪生应用技术是融合了数据采集、物联感知、模拟仿真等多个领域成果形成的系统性工程，这也是近几年各行业数字化发展的趋势[2]。本文基于数字孪生技术，分析智慧园区管理需求并提出设计思路，为园区的智慧管理提供一些参考。

1 需求分析

首先，园区的合理规划十分必要。中国很多智慧园区都存在着急上马、噱头当先的问题，如何围绕园区生态化、功能化、结构化、专业化、特色化等因素合理布局以实现园区资源最优化配置，是园区“智慧”的起点与难点[3-4]。园区全生命周期的核心需求，毫无疑问是安全问题。现在很多园区在使用传感器、智能摄像头等感知设备后开始“吐槽”，重点问题包括成本高、覆盖率低、后端报警机制弱、事前干预比较空白等方面。

针对上述需求，必须构建一个接近于真实场景的园区空间数字化底板，在此基础上开展园区资源设计、布局、配置等规划工作。

其次，提升智能监测水平也是重中之重，重点关注成本、监测覆盖率和监测预警方面的问题。目前，数字孪生指出对全要素和全过程的数字化映射、智能化模拟，实现与物理流域同步仿真运行、虚实交互、迭代优化，为解决智慧园区建设提供了新思路。

2 数字底座设计

一个园区的智慧建设，需要掌握建筑、道路、桥梁、绿化、水体、基础设施、地下管线等各类实体物理对象的运行态势。因此，需要一个“数字底座”，针对整个园区各地理要素的结构化、非结构化数据统一格式、统一时空基准、一致性处理和空间化处理。

2.1 实景三维场景

采用无人机飞行拍摄的方式开展倾斜摄影工作，经过空域申请、测区踏勘、像控点布设、航线设计、外业航飞后获得倾斜影像，再进行数据处理、空三解算、精度优化、三维建模、模型精修等一系列工作后，生成园区范围内高分辨率高精度的倾斜摄影三维实景模型[5]。模型数据涵盖了园区的地形地貌特征，包括建筑物、道路、绿化、水系、基础设施等地上各行业要素的外部现状场景。

2.2 建筑物室内结构

通过BIM技术/激光点云手段仿真模拟各种工程建筑的内部结构，满足内部可视化、整体协调性、数据模拟性、功能优化性等特点，弥补了倾斜摄影技术无法获取建筑物内部信息的缺点[6]。

2.3 地下管线模型

收集并整合园区范围内地下管线的施工、竣工资料，包括给水类、排水类、弱电类、供电电缆、燃气电缆等。根据各类管线点和管线段的特点，通过空间、属性和材质信息映射实时驱动生成地下管线三维模型[7]。地下管线三维模型的高程信息可由倾斜摄影制作的DEM数据拟合确定，通过程序自动控制匹配以实现地上地下三维模型的无缝集成。

2.4 城市部件模型

针对园区范围内的城市部件，结合外业测量与内业处理手段获取城市部件位置坐标，可选择二维点、3D符号或者单体建模等不同表达方式，在整体园区的倾斜摄影模型中叠加展示。城市部件划分为五大类：公用设施、交通设施、市容环境设施、园林绿化设施、其他设施。

2.5 公共专题信息

结合电子地图数据和外业调查方式，梳理、整合并更新园区内住宅、商场、企业、医院、学校、公交站等兴趣点描述以及园区内地名、地址信息的结构化描述与标识。收集、整合并更新公安、交通、自然资源、住建、环保、水利、旅游、文化、教育等行业的专题信息资源。

2.6 感知监测信息

对接监控电子眼、充电桩、交通信号灯、路口监控视频、重大工程传感器等设备，掌握交通安全信息。对接气象监测站、环保监测站、污水口监测站等数据，关注极端天气、空气质量、水质等环境安全问题。

3 平台功能设计

园区包括建筑物、道路、绿地、地下管线、城市部件等不同单元，借助倾斜摄影实景三维、地下管线模型、城市部件模型、公共专题信息、感知监测信息等载体，最终盘活园区数字资产“一盘棋”，以数字孪生底图推动智慧园区规划、建设、管理一体化应用[8-9]。

3.1 多源信息集成

很多园区处于建设初步阶段，大部分建筑物、道路、学校都在逐步建设的过程中，平台根据二维矢量、影像、三维模型、传感数据等不同类型数据的特点，采用不同的存储管理技术，形成一体化的异构空间数据混合存储平台。平台支持物联感知数据动态汇聚与运行监控，集成视频监控、交通安全、人车管理等数据，实现对建筑能耗、交通、园区运行等监测信息的读取与挂接，为建设绿色园区、园区安防、智慧园区提供应用支撑。

3.2 二三维场景可视化

依托三维GIS平台数据资源，在传统矢量、影像、专题图层、电子地图等二维数据展示的基础上，支持多种精度地形场景数据、倾斜摄影模型、人工建模数据、360度可量测街景数据、地下管线模型、单体模型等各类三维数据的融合展示，增强大场景GIS数据、小场景BIM数据和物联网感知数据的集成能力，提供从地上到地下、从整体到局部的一体化无缝场景(见图1)。平台不仅具备二三维数据加载展示功能，还提供可视化渲染、场景管理、飞行鸟瞰、标绘交互等操作功能。

图1 二三维场景可视化

3.3 二三维空间分析

在三维场景中提供经纬度量测、高程量测、水平距离量测、垂直距离量测、空中距离量测、长度量测、面积量测等基本的三维量测功能。平台支持三维数据的空间分析能力，包括缓冲区分析、通视分析、可视域分析、剖面线分析、日照分析、天际线分析、淹没分析、DEM土石方分析等(见图2)。

图2 空间分析

3.4 园区资产信息管理

平台基于二三维地名地址、POI数据、行业专题数据，提供在线查询检索功能，支持关键字查询、模型查询以及组合查询等，查询结果支持快速定位和详细信息查看，通过查询了解园区内的道路信息、学校信息、医院信息、厂房信息、住宅区信息、景区信息、停车场信息等。进一步结合人力、物资、设备、物料、车辆、房屋等信息，支持对园区内的特种资产、设备、物料等进行实时的卡片式单独跟踪与管理。

3.5 园区规划仿真模拟

基于三维GIS平台，在现有空间底座上实现合并、叠加、对比分析，通过3D渲染和三维动态模拟仿真等手段可灵活预演规划效果，预先展现出未来园区规划设计的样貌，提前发现规划问题和设计缺陷，避免重大损失。利用多方位的图形展示功能或者双屏比对新旧规划蓝图的差异，直观、便捷地协助复盘和调整，实现园区规划仿真模拟的效果。

对于同一项目的多个方案，可实现同一状态下不同方案的切换，也可进行双屏或者多屏关联比对，通过对多种规划方案及结果的模拟仿真和可视化展示(见图3)，以直观形式评估各个方案的优缺点，实现方案优化和遴选。同时，根据人口分布、环境及生态、地下管网密度等多维度综合考量整个园区规划设计的合理性，便于比对、判断和分析最优化方案，避免规划片面性。

图3 规划仿真模拟

3.6 感知信息监测预警

园区建设更加注重于满足居住环境的安全性、舒适性以及企业管理的便利性、通信网络的互联与增值服务等方面的需求，园区智能化管理应集成安全防范系统、通信网络系统、公共设备监控系统和物业管理系统等。

平台支持集成视频监控、门禁控制、监听对讲、综合报警、公共广播等传感设备，通过综合管理统一协调园区内的资源共享与信息互通，智能化管理园区治安，为安防事件的事前防范、事中处理、事后分析提供有效的模拟仿真，对各类事件做到预知、预判、预防、预警和有效提醒，切实提高安全保障能力和应急处理能力。

4 结语

综上所述，基于数字孪生理念探讨智慧园区建设并提出了设计思路。通过分析发现，数字孪生应用技术对园区智慧管理的顶层设计、运维、业务协同等多方面都具有应用价值，同时也可推广应用至其他领域。