李冰蟾，毛 波

(1.江蘇海事職業(yè)技術(shù)學院 電氣與自動化工程學院，江蘇 南京 211100；2.南京財經(jīng)大學 信息工程學院，江蘇 南京 210023)

0 引 言

能源是城市運行的基礎，特別是隨著城市規(guī)模的擴大，能源的供給、傳輸與消費越來越影響著城市的空氣，水以及土壤環(huán)境，因此，能源消耗分析是城市可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵研究，也是實現(xiàn)智慧城市的重要課題。目前，能源種類多樣化趨勢越來越強，新能源技術(shù)及產(chǎn)品，如屋頂光伏發(fā)電、風能、新能源汽車、熱泵、智能電網(wǎng)大范圍采用，隨之而來的各種補貼、價格以及市場政策，使得城市能源消耗分析的復雜性大幅提高。而現(xiàn)有的主要分析手段，是針對單獨能源種類進行設計與實現(xiàn)的，如電力、天然氣等，缺乏對城市多種能源的集成分析，這就難以反映城市能源消耗的整體狀況，因此，建立綜合性城市能源分析框架，對于改進城市規(guī)劃，能源投資利用以及公眾交流都具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

城市作為復雜的綜合體，其地上地下三維特征突出，因此，要實現(xiàn)對城市的準確能源消耗分析，必須要建立在城市三維模型基礎之上。在城市三維模型領域，CityGML作為較為廣泛使用的標準，在城市形態(tài)表征及其語義描述方面具有良好的特性，且支持對于應用領域的擴展。因此，采用CityGML實現(xiàn)城市能源消耗基礎數(shù)據(jù)的標準化管理與共享，對于提高分析工具的可重用性具有重要意義。目前，已有多個城市推出了其官方三維模型數(shù)據(jù)，其中柏林，哥本哈根等都采用CityGML作為官方模型標準。雖然目前已經(jīng)發(fā)布的模型在精細度、語義豐富性上還具有較大的欠缺，但隨著數(shù)據(jù)采集和融合工作的深入，標準化城市三維模型將成為多種應用的支撐基礎，其中就包括城市能源消耗分析。

瑞典作為全球能源高效利用的先進國家，其首都斯德哥爾摩的哈默比新區(qū)（Hammarby Sj?stad）是一個以全新生態(tài)概念規(guī)劃建立的友好型社區(qū)，該區(qū)原本是一個破敗的工業(yè)城區(qū)，有著嚴重的污染問題。20世紀90年代初，為了爭取奧運會的舉辦權(quán)，斯德哥爾摩市政府聯(lián)合幾個大的地產(chǎn)開發(fā)商，進行該區(qū)的重建，并且堅持以可持續(xù)發(fā)展的長遠目標持續(xù)著創(chuàng)新變革。目前哈默比新區(qū)已經(jīng)成為全球城市可持續(xù)發(fā)展的樣板。在此基礎上斯德哥爾摩市政府積極推進城市能源消耗分析技術(shù)的發(fā)展與應用，并以哈默比新區(qū)作為示范區(qū)域，實現(xiàn)技術(shù)的落地應用與效果檢測。本文作者目前正在參與該能源消耗分析決策工具的開發(fā)，將通過本文介紹在歐洲智慧城市建設的相關(guān)實踐，主要包括相關(guān)工作研究，基于CityGML的能源消耗模擬與分析框架以及分析結(jié)果可視化展示。

1 相關(guān)研究

能源消耗模擬分析。城市能源模擬涉及多種學科領域，包括氣象、電力、熱力、材料、建筑、經(jīng)濟等，是一項復雜的工程。為此，研究機構(gòu)開發(fā)了相關(guān)的通用模擬系統(tǒng)套件，并支持模塊擴展。一般的，能源消耗模擬涉及能源需求模型，資源模型以及經(jīng)濟價格模型。目前已經(jīng)有多種較為成熟的軟件用于分析能源需求與資源模型，包括Eneryg Plus、 TRNSYS、energy hubs、 CitySIM等。Eneryg Plus[1]是美國能源部資助開發(fā)的大型能耗分析計算軟件，基于動態(tài)負荷理論，采用反應系數(shù)法，能對建筑物及相關(guān)的供熱、通風和空調(diào)設備能耗進行模擬計算。目前已經(jīng)被廣泛應用于國內(nèi)外的建筑能耗模擬分析，但Energy Plus不具備友好的用戶界面，主要作為模擬內(nèi)核由專業(yè)程序開發(fā)人員編程使用，這大大限制了它的通用性與易用性[2-3]。TRNSYS[4]是一款商業(yè)能源模擬軟件，其模塊具有可擴展性，特別是在太陽能系統(tǒng)和建筑節(jié)能方面，有著廣泛和完善的應用場景. CitySIM[5]則在城市宏觀范圍內(nèi)，提供了對城市能源等多種指標進行整體模擬的系統(tǒng)。energy hubs[6]能夠?qū)崿F(xiàn)多種能源的轉(zhuǎn)換、存儲與傳輸?shù)募煞治觥Ｒ_模擬城市能源消耗，需要城市三維模型的支撐。

目前存在著多種城市三維模型。在建筑物層面，主要涉及BIM(Building Information Model)模型，包括IFC(Industry Foundation Class)和gbXML(green building XML)兩種標準描述格式，其中IFC主要用于描述建筑物及建筑行業(yè)的數(shù)據(jù)，而gbXML則主要用于在不同的設計與模擬軟件之間共享建筑物信息。在城市尺度，目前已經(jīng)有的開放標準主要包括CityGML與INSPIRE(Infrastructure for Spatial Information in the European Community)[7]。前者是OGC三維城市模型標準，而后者則是歐盟范圍內(nèi)的一個空間數(shù)據(jù)描述標準。相比而言，CityGML在城市及區(qū)域尺度更加方便，而INSPIRE則側(cè)重于國家/洲際這樣更大的尺度。此外在能源模型支持方面，gbXML也廣泛應用于建筑物尺度的能耗數(shù)據(jù)分析與交互，但在城市尺度，截至2016年還缺乏國際通用的能耗表示標準，CityGML與INSPIRE也缺乏對能耗的系統(tǒng)性描述。盡管如此，CityGML作為一個開放的標準，支持領域擴展（Application Domain Extensions ADE）。在能耗分析領域，Energy ADE[8]與UtitltyNetwork ADE[9]可以用來描述城市尺度的能源管網(wǎng)，能源需求與消耗，建筑物能耗指標等語義信息。

為了實現(xiàn)城市能耗分析數(shù)據(jù)的快速共享與三維交互可視化，需要在線三維可視化框架的支持。隨著瀏覽器能力的提升，直接在瀏覽器內(nèi)展示三維內(nèi)容已經(jīng)成為可能。新一代網(wǎng)絡標準HTML5已經(jīng)將三維可視化標準WebGL作為其原生內(nèi)容之一。目前基礎的瀏覽器三維可視化策略是直接采用WebGL進行開發(fā)，主要的瀏覽器包括Chrome、Firefox、Safari以及IE都支持WebGL，基于WebGL的可視化結(jié)果可以在這些瀏覽器內(nèi)實現(xiàn)跨平臺顯示。由于WebGL標準涉及底層三維開發(fā)，因此基于WebGL，出現(xiàn)了X3DOM、Threejs等三維可視化庫，他們提供了更高級別的可視化接口，支持直接定義多邊形、紋理、光照、背景等。相比于WebGL，降低了難度，但這些可視化庫針對通用三維展示開發(fā)，缺乏對GIS的支持。在GIS支持方面，Cesium是一個基于WebGL的在線三維可視化平臺，其具有良好的GIS支持特性，類似開源的網(wǎng)頁版本谷歌地球，可以實現(xiàn)2D、3D的地理數(shù)據(jù)可視化，并支持多種地圖服務（WMTS），實現(xiàn)多層數(shù)據(jù)疊加。目前Cesium已經(jīng)用于多種在線地理信息系統(tǒng)的實現(xiàn)[10]。

2 系統(tǒng)框架

在系統(tǒng)實現(xiàn)方面，項目組提出了一種基于三維城市標準模型的能源消耗分析與可視化系統(tǒng)，包括基礎數(shù)據(jù)集成、能源模擬系統(tǒng)以及結(jié)果可視化3個主要部分。

2.1 基礎數(shù)據(jù)集成

針對三維城市能源消耗分析要求，需要集成能源生產(chǎn)、傳輸、消耗數(shù)據(jù)，為此，CityGML標準作為城市基礎數(shù)據(jù)標準，可以提供包括建筑物、道路交通、綠地水體、橋梁隧道等城市基礎設施架構(gòu)，同時通過應用領域擴展實現(xiàn)對能源消耗數(shù)據(jù)的支持。目前主要采用Energy ADE與UtilityNetwork ADE。

Energy ADE由國際化的城市能源模擬開發(fā)者與用戶在2014年5月發(fā)起，旨在擴展CityGML2.0，支持標準化存儲交換能源相關(guān)的指標與屬性。該擴展主要針對建筑物的物理特性與系統(tǒng)，同時可以支持多節(jié)點互聯(lián)互通，從而實現(xiàn)城市級別模擬數(shù)據(jù)的存儲。Energy ADE主要包括熱力數(shù)據(jù)模塊、建筑與材料模塊、建筑物物理特性模塊、能源占用模塊、能源系統(tǒng)模塊5個主要部分。

UtilityNetwork ADE則定義了一個一個拓撲網(wǎng)絡模型，以支持對公用事業(yè)網(wǎng)絡以及能源提供基礎設施的分析與模擬。該ADE包括一個核心模塊以及一系列擴展模塊構(gòu)成，如網(wǎng)絡組建、網(wǎng)絡設施和產(chǎn)品、中空空間、特殊材料等。核心模塊主要定義了基礎設施網(wǎng)絡建模相關(guān)的類與概念，實現(xiàn)了將三維公共事業(yè)網(wǎng)絡嵌入并關(guān)聯(lián)到三維城市環(huán)境中。在此基礎上，網(wǎng)絡組件定義了傳輸、設備、功能、終端、保護等多種組件。網(wǎng)絡設施和產(chǎn)品則定義了水、液化氣、電力，以及太陽能等類型，用于描述公共事業(yè)網(wǎng)絡中的傳輸介質(zhì)。

通過基于CityGML及其擴展ADE的支持，可以對城市能源及其相關(guān)設施進行標準化描述，這對于提高后續(xù)模擬系統(tǒng)的可用性具有重要意義。

2.2 能源消耗模擬

基本參數(shù)獲取。城市能源消耗基礎數(shù)據(jù)是以CityGML及其擴展形式存儲的，該方式支持文件與數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡服務等多種存儲獲取方式。然而要將這些基礎數(shù)據(jù)作為能源消耗模擬軟件的輸入，需要進行數(shù)據(jù)提取與轉(zhuǎn)換。這些參數(shù)在模擬過程中是不變的，預先存儲于文件或數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)實際模擬需求進行獲取。

輸入變量。對于每個能源消耗模型，需要設定一個時變的輸入，以反映環(huán)境狀況，如居住狀況，當?shù)貧夂?，能源價格等。這些變量數(shù)據(jù)是由能源模擬環(huán)境根據(jù)用戶設定或通過其他接口獲取的，通過對輸入數(shù)據(jù)的調(diào)整，可以實現(xiàn)多種方案模擬結(jié)果在不同環(huán)境下的比較。

模擬功能。對于能源消耗模擬軟件而言，其中的模型可以支持多種功能，用于對預設定參數(shù)和輸入變量進行不同粒度的分析，其速度、準確度、復雜度各有區(qū)別，因此在模擬之初需要預先選定合適的供模擬功能，從而快速獲取可用結(jié)果。此外在有些情況下，還需要對某些復雜分析功能采用簡化和替代算法，從而能夠支持快速的用戶結(jié)果反饋。因此模擬功能是系統(tǒng)分析的一個核心部分，不同的實現(xiàn)會產(chǎn)生不同的結(jié)果，需要根據(jù)實際需求進行合理配置。

結(jié)果輸出。模擬的結(jié)果輸出是時序數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可以在集成模擬環(huán)境中的模擬器之間進行交換，即一個模型的輸出可以作為另一個模型的輸入。如果有必要，模型輸出結(jié)果也可以直接進行數(shù)據(jù)分析或通過可視化方式展示給終端用戶。

準確度調(diào)整。準確度分析包括：模擬過程的細節(jié)層次、線性/迭代模擬、時間跨度、輸出的錯誤閾值等。通過準確度調(diào)整，可以控制模擬過程的精度、速度與范圍，從而支持多種應用環(huán)境。此外，對于每個模型，需要與其他類似模型的結(jié)果進行交叉驗證，從而確定模型的準確度與實驗精度。

2.3 在線可視化

能源消耗分析結(jié)果三維可視化方面，目前并沒有一個統(tǒng)一的方案，考慮到分析結(jié)果的多樣性與用戶需求的可變性，項目組提出一種基于視覺變量映射的能源消耗分析在線可視化方法，如圖1所示。

該方法主要包括以下3個方面。

圖1 基于視覺變量映射的能源消耗可視化Fig.1 Energy consumption visualization based on visual variables

1）針對城市三維模型，基于三維視覺變量原理，自動或手動提取該模型的幾何、紋理與分布視覺變量；其中，幾何視覺變量包括了位置、朝向、高度、透明度等視覺變量要素；紋理視覺變量包括紋理、顏色、亮度、陰影等視覺變量要素；分布則涉及密度、位置、朝向等要素。該視覺變量體系不是固定的，根據(jù)不同的能源消耗分析應用需求，視覺變量體系的內(nèi)容需要做相應的擴充。

2）適應能源消耗可視化的城市三維模型視覺變量參數(shù)化重建?；谀茉聪娘@示策略與三維模型視覺變量耦合機理，構(gòu)建視覺變量要素及其相應的細節(jié)層次的自動選擇、簡化、增強與融合機制，從而實現(xiàn)基于視覺變量參數(shù)渲染的城市三維模型非仿真可視化與自動綜合。通過將能源消耗分析結(jié)果映射到三維城市模型視覺變量中，實現(xiàn)能源分析結(jié)果的可視化。如可以用顏色、面積或高度來表示建筑物的能耗指標，通過對不同視覺變量可視化結(jié)果的比較，實現(xiàn)展示結(jié)果優(yōu)化。

3）基于Cesium的參數(shù)化城市三維模型快速可視化原型與用戶評價系統(tǒng)。基于Cesium實現(xiàn)能源分析結(jié)果在線可視化，并以此平臺開展用戶反饋調(diào)查研究，結(jié)合認知學理論，深入分析能源消耗模擬的三維可視化結(jié)果對時空行為的適應性，并實際檢驗所提的可視化方法的有效性。

3 實驗結(jié)果

目前項目已經(jīng)展開全面研究，獲取了初步的成果，搭建了基于Cesium的數(shù)據(jù)可視化平臺。以下是部分實驗結(jié)果。項目的實驗區(qū)域如圖2所示。該區(qū)域是瑞典一個先進的城市開發(fā)項目，整體建設始于2000年，整個工程將于2020年完工，屆時將容納25000居民。該項目由于其在可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃與實踐方面的創(chuàng)新，贏得了全世界的矚目。整個區(qū)域按照整體設計，住房只是其中的一個部分。項目綜合集成了供熱、交通、廢物回收多個系統(tǒng)，從而降低了整個區(qū)域的能源消耗與長期維護成本。

圖2 實驗區(qū)域：瑞典斯德哥爾摩哈默比新區(qū)Fig.2 Test area: Hammarby Stockholm Sweden

目前項目已經(jīng)集成了哈默比新區(qū)的電力、熱力、交通、建筑物等相關(guān)信息，并按照論文所提出的模式實現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)的可視化。目前系統(tǒng)支持geojson、gltf等格式的矢量數(shù)據(jù)，同時也可以提供wmts格式的柵格數(shù)據(jù)集成可視化。圖3給出一個初步的集成可視化結(jié)果。

圖3 基于Cesium的能源數(shù)據(jù)集成可視化Fig.3 Integrated visualization of energy datasets using Cesium

4 結(jié)束語

三維城市模型作為城市基礎信息的重要組成部分已經(jīng)不僅局限于對城市形象的展示，目前越來越多的模擬分析需要建立在三維城市模型之上。本文就歐盟在城市能源消耗模擬應用中如何使用三維城市模型這一研究課題進行了基本的介紹，并給出了相關(guān)的系統(tǒng)需求，設計方案與體系架構(gòu)。初步的研究成果顯示，CityGML作為目前最為廣泛使用的城市級別三維模型標準，其可擴展性對于行業(yè)應用具有較好的支持，同時采用Cesium作為可視化平臺，能夠大幅降低開發(fā)難度提高應用的可獲得性。目前相關(guān)研究還在持續(xù)進行中，可以說比較能夠代表歐洲在三維城市領域的探索方向，對國內(nèi)相關(guān)研究也具有一定的借鑒意義。

致謝

本文得到國家自然基金(41671457)，江蘇省高校自然科學研究重大項目 16KJA170003，江蘇省自然科學基金（BK20151551）江蘇省高校優(yōu)秀中青年教師和校長境外研修計劃以及江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程項目資助。