中國聯(lián)通智能城市研究院 北京 100048
自2010年“智慧城市”愿景提出并進入中國以來,我國政府高度重視并將其上升為國家戰(zhàn)略,各地智慧城市建設取得了豐碩成果[1]。2020年,政府工作報告首次提出“新型基礎設施建設”(簡稱“新基建”),其中5G基建、大數(shù)據(jù)中心和人工智能等將成為城市數(shù)字化轉型發(fā)展的新動能,助力城市智能水平進一步發(fā)展躍升。在宏觀范圍城市智慧化建設規(guī)?;l(fā)展的同時,智慧城市發(fā)展的一個重要趨勢是空間場景逐漸從大中型城市向“微單元”下沉,樓宇、園區(qū)、社區(qū)等“城市微單元”作為城市的微觀縮影和功能載體,空間范圍較小、業(yè)務場景明確、管理職責清晰,更利于5G、物聯(lián)網(wǎng)、AI、大數(shù)據(jù)等前沿技術的集成應用落地,成為城市數(shù)字化轉型和智慧化建設的重要實踐[2]。
智慧樓宇是集成數(shù)字化技術、信息通信技術,開展建筑空間、智能設備、信息化軟件和一體化設計及應用,實現(xiàn)樓宇智能信息集成、設備優(yōu)化控制和空間綜合管理[3]。目前智慧樓宇整體建設水平參差不齊,主要存在物聯(lián)設備不足、信息系統(tǒng)割裂建設、數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象嚴重、智能化水平不高等問題。BIM(Building Information Modelling,建筑信息模型)是對建筑物構件、幾何特征和功能特性進行三維參數(shù)化表達的新型數(shù)據(jù)模型[4]。BIM模型可為建筑物的規(guī)劃設計、施工建設和運營維護管理等階段,提供精細化三維數(shù)據(jù)模型資源,輔助建筑物全生命周期的智能化管理[5]?;诖耍疚脑O計并研發(fā)了基于5G+BIM的智慧樓宇運營管理平臺,在BIM模型構建的樓宇三維空間底座基礎上,對接5G網(wǎng)絡的樓宇智能物聯(lián)設備和信息系統(tǒng),融合樓宇運行數(shù)據(jù),集成業(yè)務應用系統(tǒng),打造場景化智能識別能力,實現(xiàn)智慧樓宇的態(tài)勢全面感知、問題智能識別、事件協(xié)同處置和決策輔助支持等功能,助力實現(xiàn)樓宇運行管理的降本增效,提升樓宇智能化水平。
智慧樓宇運營管理平臺是樓宇的智能大腦,平臺融合5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、BIM、大數(shù)據(jù)等新技術,以樓宇BIM模型為三維空間基底,以數(shù)據(jù)驅動為內核,以智能感知為觸手,以智慧決策為目標,構建可視可管可控的智能管理決策中樞,實現(xiàn)樓宇人事物的一體化管理和管理業(yè)務流程的互聯(lián)互通,為樓宇的業(yè)務管理部門和物業(yè)管理單位提供全面的樓宇運行態(tài)勢可視化展示、資源的統(tǒng)一管理和內部各類事件的協(xié)同處置等服務,助力樓宇提升品牌經(jīng)濟效益、服務管理效能和科學管理水平。
1)場景全映射:基于樓宇BIM精細化三維模型構筑的空間基礎,結合二三維可視化技術,對樓宇建筑構件、外立面、空間結構、管網(wǎng)管線、地下停車場、智能設施等地上地下、樓內室外等全空間實體進行數(shù)字建模和可視化呈現(xiàn),同時建立數(shù)據(jù)驅動的場景更新機制,實現(xiàn)樓宇場景的高保真還原和全面映射。
2)態(tài)勢全感知:通過融合樓宇5G+物聯(lián)感知設備的部署和內部垂直子系統(tǒng)的數(shù)據(jù),平臺將樓宇感知的顆粒度細化到樓內的細分空間、單體設備和人員個體,以三維場景為空間承載,全景展示、監(jiān)測園區(qū)的綜合態(tài)勢及各項細分領域運行狀態(tài)。
3)數(shù)據(jù)全融合:打造樓宇數(shù)據(jù)中樞,突破樓宇內部各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)孤島,通過樓宇運行數(shù)據(jù)的全量整合和交叉互聯(lián),為管理者提供更加全面客觀的樓宇運行的數(shù)據(jù)依據(jù)。
4)業(yè)務全可管:平臺運用企業(yè)級系統(tǒng)集成技術,打破樓宇各業(yè)務部門和各垂直系統(tǒng)之間的界限,打通系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)接口和信息接口,形成“感知觸發(fā)—大腦指揮—系統(tǒng)執(zhí)行”的事件處置流程,形成樓宇事件快速響應、協(xié)同處置的業(yè)務閉環(huán),進一步提升樓宇整體協(xié)調總控和綜合統(tǒng)籌管理能力。
5)能力可擴展:平臺具有可靈活拓展的特點,在樓宇應用的基礎上,進一步與GIS結合,可為園區(qū)、社區(qū)、小鎮(zhèn)、樓宇、商業(yè)街等相關“微單元”場景提供綜合管理應用。
智慧樓宇運營管理平臺的主要用戶包括:物業(yè)管理人員、樓宇管理單位行政人員、高層領導和系統(tǒng)管理員。在平臺設計之初,深入開展需求調研工作,了解各類用戶對平臺的理解和期望。
1)物業(yè)管理人員。物業(yè)管理人員直接負責樓宇運營維護,對平臺的主要需求是全面、實時掌握樓宇內部空間和設施的運行狀態(tài),尤其是希望第一時間獲知樓宇內部突發(fā)事件和異常情況,并協(xié)同各業(yè)務系統(tǒng)和部門開展事件協(xié)同處置,要求平臺具備態(tài)勢精細化感知、事件智能感知預報和協(xié)同處置等功能;同時物業(yè)管理人員希望平臺在設備設施維護管理方面提供指導,要求平臺在設施管理方面加強數(shù)據(jù)獲取和分析能力,提供相關數(shù)據(jù)決策建議。
報應觀主張是刑罰存在的正當性根據(jù)。實施刑罰一方面可以平復被害人及其家屬的氣憤心理,另外一方面可以滿足社會群眾的公憤心理,最終滿足整個社會的報應訴求。報應訴求不僅是一種情感上的需求,更是一種安全需求與公正需求。對于民眾而言,當殺人者被處以死刑時,不僅意味著民眾的氣憤心理得以抒發(fā),也意味著社會上少了一顆“毒瘤”。通過剝奪他人的生命使其不復存在,從而永久地保障社會秩序的穩(wěn)定;通過死刑的執(zhí)行,也使得公正得到最切實的貫徹。
2)樓宇管理單位行政人員。樓宇管理單位行政人員負責整體了解樓宇運行狀態(tài),并對樓宇安防、設施、能源、環(huán)境、停車、招租等各方面情況進行周期性數(shù)據(jù)匯集分析,要求平臺具備數(shù)據(jù)集成管理、統(tǒng)計分析和自動等功能;同時,行政管理人員需要通過平臺,發(fā)現(xiàn)樓宇管理工作的業(yè)務痛點和薄弱環(huán)節(jié),作為管理水平提升的參考,要求平臺針對業(yè)務需求進行更深入的數(shù)據(jù)分析挖掘,在樓宇空間優(yōu)化、節(jié)能減排、人員管理等方面提供高層次數(shù)據(jù)分析結果,輔助樓宇管理的統(tǒng)籌動態(tài)調度。
3)高層領導。高層領導期望平臺作為樓宇的形象展示窗口,展示現(xiàn)代化樓宇的智慧化水平和品牌價值,要求平臺具備較高的可視化水平和三維特效能力。同時,高層領導需要通過平臺,全面了解樓宇運行實時狀態(tài),一圖掌握全局,要求平臺提供綜合態(tài)勢總覽、數(shù)據(jù)駕駛艙等功能。
綜上所述,各類用戶及需求如表1所示。
基于需求分析成果的分析與歸納,按照“統(tǒng)一規(guī)范體系、統(tǒng)一安全標準、統(tǒng)一集成平臺”的基本思路,構建智慧樓宇運營管理平臺總體架構,包括數(shù)據(jù)集成平臺、應用能力平臺、AI使能平臺和業(yè)務可視化平臺,如圖1所示。
表1 用戶及需求分析匯總表
平臺采用前后端分離的架構設計:前端采用Vue框架搭建,部署時使用Tomcat進行發(fā)布;后端采用ASP.NET Core搭建和發(fā)布服務;前后端都支持跨平臺運行;數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用MySQL。
平臺開發(fā)采用B/S架構,以開源Web 3D技術Three.js構建可視化展示和交互操作框架。在Three.js中,基于3個基礎組件:場景(Scene)、相機(Camera)和渲染器(Renderer),完成繪圖、相光源、加載器、紋理、材質和動畫特效,進行三維場景的開發(fā)[6]。BIM模型格式眾多,需要進一步進行數(shù)據(jù)輕量化處理、格式轉換和結構優(yōu)化處理,并保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性,使BIM模型能夠應用到Three.js技術框架,并提供良好的可視化效果和流程的加載效率。
圖1 智慧樓宇運營管理平臺架構設計
圖2 BIM模型可視化應用流程
數(shù)據(jù)集成子系統(tǒng)是智慧樓宇的核心數(shù)據(jù)資源池,打破設備和系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)孤島,匯聚智慧樓宇內部多源異構的運行數(shù)據(jù),并按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準,進行數(shù)據(jù)加工處理,形成規(guī)范化體系化的數(shù)據(jù)結構,以數(shù)據(jù)服務的方式按需提供給智慧樓宇運營管理平臺和其他垂直系統(tǒng)。數(shù)據(jù)集成子系統(tǒng)匯集的數(shù)據(jù)包括二三維空間數(shù)據(jù)、樓宇基礎數(shù)據(jù)、樓宇物聯(lián)設備的感知數(shù)據(jù)和垂直系統(tǒng)的業(yè)務數(shù)據(jù)。二三維空間數(shù)據(jù)包括樓宇BIM模型、樓宇CAD數(shù)據(jù)等,作為智能運行管理平臺的空間底座。基礎數(shù)據(jù)包括樓宇內人員、設備、資產(chǎn)等準靜態(tài)數(shù)據(jù),該類數(shù)據(jù)在一定周期內不變或者發(fā)生極少變化。物聯(lián)感知設備的數(shù)據(jù)包括攝像頭監(jiān)控視頻、煙感、溫濕度傳感器、智能水電表、門禁、閘機等監(jiān)測感知數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)更新頻率高,通信網(wǎng)絡包括4G、5G、NB-IoT、Zigbee、Wifi、Lora等。垂直系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包括樓宇自控、安防監(jiān)控、空間管理、會議室管理、OA系統(tǒng)、智能餐廳等業(yè)務數(shù)據(jù),按照系統(tǒng)業(yè)務特征,合理設置數(shù)據(jù)采集對接的周期和方式。
數(shù)據(jù)集成子系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接入與匯聚、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)共享交換以及數(shù)據(jù)算法支撐等能力,對樓宇各類數(shù)據(jù)進行抽取、裝載和清洗,并對多源異構數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一標準進行格式轉換,并建立數(shù)據(jù)關聯(lián)映射關系;形成空間數(shù)據(jù)庫、基礎數(shù)據(jù)庫、業(yè)務數(shù)據(jù)庫、IoT數(shù)據(jù)庫、統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫、元數(shù)據(jù)庫等各類主題數(shù)據(jù)庫,支持數(shù)據(jù)增刪改查、檢索、導航等管理功能;支持系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享交換,提供數(shù)據(jù)算法能力,支持各類數(shù)學分析模型算法,為樓宇數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析和深度挖掘提供技術支撐。
業(yè)務使能子系統(tǒng)提供智慧樓宇運行管理平臺運轉的基礎能力。GIS引擎和BIM引擎,能夠支撐地理信息和建筑模型信息的加載、處理、展示和空間分析??梢暬妫峁┰O計組件和圖表控件,對建筑三維模型、GIS地圖進行渲染,并實現(xiàn)三維場景特效,同時支持常用的數(shù)據(jù)圖表、圖形、關系圖譜等組建,將樓宇運行動態(tài)、靜態(tài)以及空間、統(tǒng)計等多類數(shù)據(jù)進行融合分析和展示,增強數(shù)據(jù)的可讀性和可視化的美觀性,支持二三維一體化展示和聯(lián)動交互。消息總線、規(guī)則引擎、流程引擎等,提供服務統(tǒng)一集成、調度與管理能力,保障系統(tǒng)間有序的協(xié)調聯(lián)動。統(tǒng)一身份認證實現(xiàn)對用戶管理、用戶認證、單點登錄、權限管理等功能。
圍繞樓宇智能感知、智能分析業(yè)務場景,打造場景化的AI圖像智能識別能力引擎,為智慧樓宇運營管理業(yè)務注入AI智能識別、感知和預測的能力。子系統(tǒng)支持對靜態(tài)圖像和動態(tài)視頻數(shù)據(jù)的識別能力,包括人臉識別、行為識別、火情識別、人數(shù)統(tǒng)計、車輛特征識別等場景,并將場景化識別能力封裝成視頻分析服務,供系統(tǒng)調用。
智慧樓宇運營管理平臺包括運行態(tài)勢感知、物業(yè)服務保障、事件調度指揮、決策分析輔助四大模塊,功能體系如圖3所示。
1)運行態(tài)勢感知
運行態(tài)勢感知功能,在樓宇BIM構筑的三維模型基礎上,將樓宇內部物聯(lián)設備和業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)與空間掛接,并基于樓內的5/4G、wifi等網(wǎng)絡實現(xiàn)樓宇運行數(shù)據(jù)的實時高速傳輸,集中展示樓宇時空多維運行態(tài)勢,從安防、環(huán)境、能耗、停車、人員等多方面監(jiān)測樓宇運行狀態(tài),提供實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、實時報警提醒、歷史數(shù)據(jù)查詢等,幫助管理者實時掌握樓宇運行動態(tài),根據(jù)運動動態(tài)安排服務和管理工作,針對出現(xiàn)的問題采取合理的措施,確保樓宇內的良好環(huán)境和秩序。以停車場實時監(jiān)測為例展示運行態(tài)勢感知功能,如圖4所示。
2)物業(yè)服務保障中心
圖3 業(yè)務可視化子系統(tǒng)功能框架
物業(yè)服務保障功能是針對樓宇運行和管理最基礎的需求,BIM模型可反映樓宇內部精細的空間布局、設施設備和重要資產(chǎn)的分布,結合動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù),保障樓宇基礎設施的正常運轉,滿足樓宇空間規(guī)劃、布局、分配及動態(tài)調整的需求,確保重要資產(chǎn)的安全性。物業(yè)服務保障功能包括空間管理、資產(chǎn)監(jiān)視、設施監(jiān)控??臻g管理監(jiān)控樓宇內工位、展廳、餐廳、會議室的利用情況,以日、周、月、年為周期統(tǒng)計分析空間利用情況,分析各類空間占用的規(guī)律。資產(chǎn)監(jiān)視針對樓宇內服務器、精密儀器等大型、重要的設施,結合RFID和AI識別技術,監(jiān)控資產(chǎn)分布位置,當資產(chǎn)發(fā)生異常位移或出樓現(xiàn)象,平臺會即時報警并傳送至相關人員處置。設施監(jiān)控功能如圖5所示,對樓內攝像頭、電梯、空調、水泵等設施的運行、保養(yǎng)和維修等情況進行監(jiān)控和分析,形成設備保養(yǎng)日歷,可按周期自動提示物業(yè)人員進行特定設施的維護,分析設施故障率,優(yōu)化設施采購維護方案。
3)事件協(xié)同處置
事件協(xié)同處置實現(xiàn)事件的智能識別、定位分發(fā)、跟蹤、回執(zhí)、分析等,如圖6所示。樓宇內事件從大類上劃分可包含常態(tài)事件和應急事件,常態(tài)事件是指設備的巡查養(yǎng)護、周期性維修等有計劃性和規(guī)律性的事件,應急事件是指諸如異常人員入樓、設施突然損壞、感知設施報警等事件。當樓宇發(fā)生事件后,平臺可利用閾值告警和AI智能識別等方式,自動識別事件類型,并快速完成事件在BIM模型上的空間定位和屬性掛接。平臺依靠業(yè)務使能子系統(tǒng)提供的服務統(tǒng)一集成調度能力,實現(xiàn)事件協(xié)同的處置流程,將事件同步發(fā)送到物業(yè)人員及其他相關管理人員A P P 或手機短信中,待事件確認后,平臺可按預案設定或人工選擇,將聯(lián)動處置指令或控制指令發(fā)送各子系統(tǒng)和設備,并跟蹤事件處理進程,形成事件一體化快速處置的業(yè)務閉環(huán)。
4)決策分析輔助
決策分析輔助功能針對樓宇管理和運行維護中的痛點問題,如能源利用浪費、空間布局不合理等,為管理層決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)。它基于大數(shù)據(jù)的積累,利用數(shù)據(jù)集成平臺提供的算法模塊,結合BIM模型的空間分析能力,進行時空數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)建模,可以從數(shù)據(jù)層面診斷和預測樓宇存在的各項問題,給出優(yōu)化建議。決策分析輔助功能目前在空間規(guī)劃輔助和能耗優(yōu)化輔助方面,開發(fā)了數(shù)據(jù)分析建模和優(yōu)化建議功能,后續(xù)可針對樓宇其他問題進一步建立數(shù)學分析模型??臻g規(guī)劃輔助功能針對樓宇內部工位資源緊張問題,通過分析工位的利用效率,優(yōu)化工位使用策略,核算流動工位與固定工位比例,提升工位利用的敏捷性和效率。能耗優(yōu)化輔助功能通過對設備和空間的用能分析,發(fā)現(xiàn)高能耗設備和高能耗區(qū)域,優(yōu)化設備采購和維護保養(yǎng)策略,核算節(jié)能效果,設計樓宇節(jié)能遠景方案,如圖7所示。該功能提供領導決策駕駛艙與樓宇運行關鍵指標(KPI),為高級領導和樓宇行政管理人員全面了解樓宇運行情況、分析運行規(guī)律提供全景數(shù)據(jù)視圖。
圖4 停車態(tài)勢功能頁面
圖5 設施監(jiān)控功能頁面
圖6 事件協(xié)同處置功能頁面
本文設計的智慧樓宇運營管理平臺既包括標準化軟件產(chǎn)品部分,也可根據(jù)客戶的實際需求進行新功能的定制化設計及功能開發(fā),并具備向高科技園區(qū)、高端商業(yè)街等場景平滑演進的能力。平臺已在北京某辦公樓、浙江杭州某步行街區(qū)實現(xiàn)了項目落地,技術可行性和功能性能可靠性已經(jīng)過一年的實踐驗證。通過對平臺應用案例的分析,平臺可實現(xiàn)基于5G的海量物聯(lián)設備連接和數(shù)據(jù)傳輸、基于高精度三維模型的樓宇態(tài)勢的直觀可視和基于數(shù)據(jù)集成的全業(yè)務要素展示,從而讓管理者系統(tǒng)掌握園區(qū)整體業(yè)務情況;打破傳統(tǒng)樓宇信息化中各類獨立建設的業(yè)務子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)孤島和業(yè)務壁壘,可以實現(xiàn)跨系統(tǒng)、跨業(yè)務、跨部門的事件處理、設備控制、業(yè)務聯(lián)動,提高樓宇智慧化管理效能;可基于大數(shù)據(jù)分析和智能算法對樓宇狀態(tài)進行科學預警和研判,提前給出預測預警,提升科學決策水平。經(jīng)過項目的運行效果分析,產(chǎn)品可為用戶提升樓宇管理效率約15%,降低人工運營成本約20%。
本文對智慧樓宇綜合管理內涵與特征進行了研究,詳細分析了智慧樓宇相關用戶方和業(yè)務需求,提出了一種基于5G+BIM的智慧樓宇運營管理平臺架構設計、功能設計和實現(xiàn)方案,重點驗證了BIM模型在智慧樓宇運營管理平臺可視化應用的技術路線。平臺成果已在部分城市的地標建筑、高端商務樓宇等實現(xiàn)了落地應用并經(jīng)實踐驗證,通過平臺建設,可有效提升樓宇、街區(qū)等“城市微單元”的智慧化管理水平,實現(xiàn)降本增效。
圖7 能源優(yōu)化功能頁面
隨著新基建工作的深入推進,5G、AI、大數(shù)據(jù)等技術的發(fā)展,BIM和CIM技術進一步普及,物聯(lián)感知水平和數(shù)據(jù)傳輸能力與效率能力將不斷提升,智慧城市將進一步向更高級的數(shù)字孿生城市演進,城市的管理將從宏觀大場景進一步向精細化的微單元層面下沉?;诖耍腔蹣怯畹氖袌鰧⑦M一步發(fā)展擴大,智慧樓宇運營管理平臺的需求將進一步增加,平臺將發(fā)揮建筑物大腦的作用,持續(xù)提升數(shù)據(jù)匯聚、智能感知、應用融合、智能控制、仿真推演和決策輔助等方面的能力,實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅動智慧運營,助力樓宇智能化高速發(fā)展。