李蘇亮，楊啟亮

（陸軍工程大學(xué) 國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007）

建筑運(yùn)維是建筑生命周期中時(shí)間跨度最長(zhǎng)，也是最為復(fù)雜的一個(gè)階段[1]。這一階段的主要目標(biāo)是維持各類機(jī)電設(shè)備，以及給排水、照明、通風(fēng)、采暖等環(huán)境系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，以確保為生產(chǎn)生活提供安全、舒適、便利的內(nèi)部環(huán)境[2]。因此，對(duì)處于運(yùn)維階段的建筑設(shè)備來說，一個(gè)正常、穩(wěn)定、可控的工作狀態(tài)是最理想的。除此之外，發(fā)生故障時(shí)要準(zhǔn)確定位。為了提前預(yù)知故障風(fēng)險(xiǎn)所進(jìn)行的檢修以及在綠色建筑理念背景下對(duì)設(shè)備節(jié)能所做的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，都是這一階段中十分必要且重要的運(yùn)維活動(dòng)[3]。而隨著建筑設(shè)備功能的不斷增加，自動(dòng)化的水平不斷提升[4]，尤其是數(shù)據(jù)采集能力的不斷增強(qiáng)[5]，建筑運(yùn)維面對(duì)的數(shù)據(jù)在深度和廣度上也越來越豐富。一方面，許多人工不便測(cè)量的點(diǎn)位由于傳感器的預(yù)置可以提供更加詳細(xì)的工況數(shù)據(jù)；另一方面，傳感器種類的增加使測(cè)得的數(shù)據(jù)涉及更多的物理場(chǎng)。大量運(yùn)維數(shù)據(jù)為運(yùn)維人員準(zhǔn)確判斷、掌握設(shè)備運(yùn)行情況提供了充足的數(shù)據(jù)支持，但同時(shí)在信息提取、綜合和分析等方面也因?yàn)閿?shù)據(jù)量大、復(fù)雜度高而向傳統(tǒng)運(yùn)維模式提出了挑戰(zhàn)。

建筑信息建模（Building Information Modeling，BIM）在建筑行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[6]，基于BIM的智能運(yùn)維成為應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)運(yùn)維挑戰(zhàn)的可行辦法[7]。BIM為建筑數(shù)據(jù)的組織、計(jì)算和呈現(xiàn)提供了技術(shù)手段，基于BIM的智能運(yùn)維也在一定程度上提高了BIM模型的動(dòng)態(tài)性與智能性。但BIM模型仍然處于一種等待接受建筑物理實(shí)體傳入數(shù)據(jù)及被動(dòng)反映和被動(dòng)反饋的狀態(tài)，人工手段在數(shù)據(jù)分析管理中依然大量存在，還未建立起信息世界模型與物理世界實(shí)體之間實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交互，尤其是信息世界模型主動(dòng)反饋物理實(shí)體，借助計(jì)算能力提高物理實(shí)體表現(xiàn)的反向信息流。

因此，有學(xué)者提出借鑒制造領(lǐng)域數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）技術(shù)理念，解決現(xiàn)有建筑模型難以反映建筑物理實(shí)體動(dòng)態(tài)運(yùn)行機(jī)理，信息域與物理域交互不足的問題[8]。數(shù)字孿生旨在通過精準(zhǔn)映射物理實(shí)體，在信息世界構(gòu)建相應(yīng)的虛擬實(shí)體，反映物理實(shí)體的靜態(tài)屬性與動(dòng)態(tài)規(guī)律，并集成智能應(yīng)用輔助生產(chǎn)實(shí)踐。這一技術(shù)的先進(jìn)性已在諸如航空航天[9]、車間生產(chǎn)[10]、機(jī)床控制[11]和工藝提升[12]等方面得到了驗(yàn)證。

建筑領(lǐng)域雖然對(duì)數(shù)字孿生的研究起步較晚，但同樣取得了一些有益成果。宏觀層面，數(shù)字孿生聚焦城市的透明化管理，通過信息獲取、分析和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)決策支持，并以此支持相關(guān)信息產(chǎn)業(yè)的賦能與發(fā)展，如新加坡政府啟動(dòng)的“數(shù)字孿生新加坡”計(jì)劃、英國(guó)布里斯托的數(shù)字孿生城市架構(gòu)方法以及中國(guó)雄安新區(qū)的數(shù)字孿生城市模型框架等[13]。在建筑層面，Lu等人認(rèn)為，數(shù)字孿生在促進(jìn)高效運(yùn)維方面具有巨大潛力，并提出了一個(gè)5層系統(tǒng)架構(gòu)，用于集成異構(gòu)數(shù)據(jù)，構(gòu)造建筑級(jí)的動(dòng)態(tài)數(shù)字孿生模型，從而實(shí)現(xiàn)智能管理，增強(qiáng)建筑與運(yùn)維人員的交互[14]。Angjeliu等人開發(fā)了一種用于創(chuàng)建磚石建筑數(shù)字孿生模型的方法，以便進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析。建筑物真實(shí)的幾何形狀、材料特性和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都被高精度數(shù)字化，并借助非線性有限元模型，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)響應(yīng)評(píng)估、維修行為模擬和機(jī)械損傷預(yù)測(cè)等[15]。Lu等人提出了一種基于數(shù)字孿生的建筑異常檢測(cè)方法。以擴(kuò)展后的工業(yè)基礎(chǔ)類（Industry Foundation Class，IFC）為數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成和操作。并集成貝葉斯算法預(yù)測(cè)建筑負(fù)載動(dòng)態(tài)變化，有效提高了建筑運(yùn)維實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的效率和自動(dòng)化程度[16]。

上述研究從特定建筑出發(fā)，圍繞目標(biāo)問題構(gòu)建專門的數(shù)字孿生體，雖然有效解決了研究問題，但對(duì)于如何構(gòu)建建筑數(shù)字孿生，尤其是通用數(shù)字孿生模型的描述方法并未提出有效的方法論。模型之間缺少互通性、一致性，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字孿生體只能應(yīng)用于特定場(chǎng)景，難以高效率復(fù)用。

因此，本研究聚焦建筑設(shè)備這一運(yùn)維活動(dòng)中的重要主體[17]，借鑒模型驅(qū)動(dòng)工程（Model-Driven Engineering，MDE）思想，從模型設(shè)計(jì)出發(fā)，探索面向建筑設(shè)備數(shù)字孿生的圖形化建模方法，將領(lǐng)域特征和數(shù)字孿生特點(diǎn)融入模型元素，充分體現(xiàn)數(shù)字孿生模型的動(dòng)態(tài)性、交互性和智能性，本研究的工作與貢獻(xiàn)主要包括以下2點(diǎn)：

（1）建筑設(shè)備數(shù)字孿生模型元素定義。從信息映射、物理機(jī)理模擬、動(dòng)態(tài)交互3個(gè)角度提煉模型的組成元素和相互關(guān)系，提高了建筑設(shè)備數(shù)字孿生模型描述的規(guī)范性和統(tǒng)一性。（2）開發(fā)建筑設(shè)備數(shù)字孿生圖形化建模工具。以圖形作為模型的呈現(xiàn)載體，并封裝在軟件實(shí)體中，為數(shù)字孿生建模提供工具支撐，提高了模型構(gòu)建效率，并使模型表現(xiàn)更加直觀。

1 數(shù)字孿生模型元素定義

建筑設(shè)備數(shù)字孿生體是物理設(shè)備在信息空間的高保真模型，既要實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)信息的充分映射，也要能夠與物理設(shè)備形成互動(dòng)模式，從而體現(xiàn)數(shù)字模型的計(jì)算優(yōu)勢(shì)，為設(shè)備運(yùn)維提供協(xié)助。

因此，本研究從信息映射、物理機(jī)理模擬和動(dòng)態(tài)交互3個(gè)角度，分別提取建筑設(shè)備數(shù)字孿生模型的組成元素，如圖1所示。

圖1 建筑設(shè)備數(shù)字孿生模型元素

1.1 信息映射元素

建筑設(shè)備數(shù)字孿生體所映射的信息主要包括設(shè)備的基本屬性和歷史數(shù)據(jù)，因此定義BFDTRecorder作為各類數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理實(shí)體，為數(shù)字孿生體提供底層數(shù)據(jù)支撐，并且由于數(shù)字孿生體與物理實(shí)體在視覺呈現(xiàn)上具有高度的一致性。定義BFDTVisualizer作為圖像渲染實(shí)體負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體在信息世界的視覺鏡像。

1.2 物理機(jī)理模擬元素

任何物理過程的發(fā)生都基于特定的前提條件，即使是同一個(gè)物理過程，在不同的現(xiàn)實(shí)條件下所表現(xiàn)出的特征規(guī)律也不盡相同。因此，在模擬物理過程機(jī)理時(shí)，需要明確發(fā)生條件，定義BFDTCondition作為條件聲明實(shí)體。

建筑設(shè)備的物理特性隨著時(shí)間發(fā)展會(huì)產(chǎn)生變化，因此數(shù)字孿生體中的物理機(jī)理模擬也應(yīng)當(dāng)與設(shè)備實(shí)體保持同步演化，定義BFDTEvolver表示具備這種演化特性的模型元素，表明數(shù)字孿生體對(duì)建筑設(shè)備物理機(jī)理的動(dòng)態(tài)擬合。

1.3 動(dòng)態(tài)交互元素

基于經(jīng)典控制理論[18]，完整的反饋控制閉環(huán)包括感知、控制和執(zhí)行等過程，因此分別定義BFDTSensor、BFDTController和BFDTActuator來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)交互。BFDTSensor作為虛擬感知器與物理傳感器對(duì)應(yīng)綁定，作為建筑設(shè)備數(shù)字孿生體獲取設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的入口；BFDTController封裝相關(guān)智能算法，利用BFDTSensor感知的運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算最優(yōu)控制策略；BFDTActuator作為虛擬執(zhí)行器，將BFDTController生成的控制策略轉(zhuǎn)換為可被物理設(shè)備識(shí)別的控制指令，傳遞給相應(yīng)的執(zhí)行部件，從而完成數(shù)字孿生體對(duì)物理實(shí)體的反饋控制。為了最大化數(shù)字孿生體與物理實(shí)體的同步一致，定義BFDTAnimation負(fù)責(zé)物理部件的執(zhí)行動(dòng)作在信息世界中的渲染呈現(xiàn)。

2 建筑設(shè)備數(shù)字孿生圖形化建模工具開發(fā)

基于建筑設(shè)備數(shù)字孿生模型元素的定義，就可以進(jìn)行建筑設(shè)備數(shù)字孿生建模，為了使建模過程更加高效，模型更加直觀，還需要對(duì)模型中的元素進(jìn)行良好的圖形設(shè)計(jì)，以得到圖形化建模工具中的圖元。

2.1 圖元設(shè)計(jì)原則

用簡(jiǎn)單直觀的圖元表達(dá)建筑設(shè)備數(shù)字孿生建模元素，能夠讓建模人員在使用過程中提高建模效率，降低建模前期的學(xué)習(xí)準(zhǔn)備成本[19]。而由于圖形具有直觀簡(jiǎn)潔、含義豐富等特點(diǎn)，表征明確，規(guī)則清晰，組織結(jié)構(gòu)合理的圖形化模型文件，將使模型的使用者與共享者能夠高效地獲取模型信息，實(shí)現(xiàn)通過模型認(rèn)知物理對(duì)象的目的。因此，在定義和擴(kuò)展圖元時(shí)，應(yīng)當(dāng)遵循以下幾個(gè)原則。

2.1.1 形狀、顏色區(qū)分

對(duì)同一類型的圖元應(yīng)當(dāng)使用相似的形狀或相似的顏色，使建模人員與模型使用者能夠通過這一外部明顯特征判斷關(guān)聯(lián)度高的模型元素，方便對(duì)同類模型元素的統(tǒng)一組織與管理。

2.1.2 重要信息突出

圖元在模型畫布中所占的區(qū)域有限，因此需要篩選每個(gè)圖元中用戶最關(guān)注、最具有代表意義的信息呈現(xiàn)在畫布中，圖元的其他詳細(xì)信息可通過點(diǎn)擊打開詳細(xì)視圖，懸停彈出浮窗等方式做進(jìn)一步展示。

2.1.3 圖標(biāo)聯(lián)想度高

圖元中的圖標(biāo)是除形狀、顏色之外另一類表征圖元所代表建模元素信息的視覺元素，由于圖標(biāo)具有擬像性，可以幫助建模人員和模型使用者更準(zhǔn)確快速地理解圖元代表的模型元素。

2.1.4 視覺元素簡(jiǎn)潔

建筑設(shè)備數(shù)字孿生模型往往涉及多個(gè)維度，多個(gè)物理場(chǎng)，模型元素的數(shù)量、種類相較于一般領(lǐng)域模型更為多樣與復(fù)雜。如果不加限制地使用視覺元素（形狀、顏色和圖標(biāo)等）來區(qū)分不同的圖元，會(huì)造成模型信息的關(guān)注點(diǎn)因?yàn)橐曈X元素過多而受到干擾。因此，在設(shè)計(jì)圖元時(shí)，需要保證在同一畫布中呈現(xiàn)的圖元使用的視覺元素盡可能節(jié)約簡(jiǎn)潔。

2.2 圖元定義與說明

基于2.1中闡述的圖元設(shè)計(jì)原則，本研究中所定義圖元以方框加對(duì)應(yīng)圖標(biāo)組成，在圖元周圍標(biāo)示圖元實(shí)例名稱，具體說明見表1。

表1 建筑設(shè)備數(shù)字孿生模型圖元定義

表1中除了為之前提出的8類元素設(shè)計(jì)了圖元樣式，也為圖元之間的連接分別設(shè)計(jì)了BFDTBindingPipe和BFDTTransmittingPipe，用來分別表示圖元之間的邏輯組成關(guān)系和數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系。

2.3 建模工具實(shí)現(xiàn)

Ecore是Eclipse Modeling Framework（EMF）中基礎(chǔ)性的元模型，是對(duì)MOF中核心部分的參考實(shí)現(xiàn)。Ecore可以描述自身，基于Ecore也可以定義其他的模型，使用Ecore作為基礎(chǔ)元模型允許建模者利用整個(gè)EMF生態(tài)系統(tǒng)和工具。并且，由于EMF支持在Java、UML和XML等多種形式的注解文件之間相互轉(zhuǎn)換[20]，使用EMF建立的建筑設(shè)備數(shù)字孿生模型在模型表述方面可以有更多的選擇與靈活性。在此基礎(chǔ)上，Eclipse也開發(fā)了Graphical Modeling Framework（GMF）來支持模型驅(qū)動(dòng)的領(lǐng)域化的圖形編輯器開發(fā)，GMF是EMF的圖形化編輯器，它提供了一種高度可定制的方式來呈現(xiàn)模型元素[21]，因此本文使用GMF作為建筑設(shè)備數(shù)字孿生圖形化建模工具的開發(fā)框架。在Eclipse產(chǎn)品系列中，OBEO Designer被用來以圖形方式定義領(lǐng)域模型，其中集成了對(duì)EMF的支持整合，幫助用戶創(chuàng)建針對(duì)特定領(lǐng)域的圖形建模工作臺(tái)。

在OBEO Designer中構(gòu)建2.2節(jié)中的模型元素，OBEO Designer自動(dòng)依據(jù)模型元素創(chuàng)建圖形化建模工具的開發(fā)環(huán)境，運(yùn)行工具開發(fā)環(huán)境工程后，進(jìn)入圖形化建模工具的自定義界面，如圖2所示，界面分為5個(gè)主要區(qū)域：①是OBEO Designer軟件自身的使用工具欄；②是建筑設(shè)備數(shù)字孿生圖形化建模工具自定義工程的文件樹；③是④的大綱視圖；④是自定義圖形化建模工具的主要區(qū)域，在后綴名為.odesign的文件中，逐個(gè)定義畫布中圖元的樣式、屬性，與模型中的元素形成對(duì)應(yīng)，再定義菜單欄中創(chuàng)建圖元的工具所對(duì)應(yīng)的標(biāo)志；⑤是選中節(jié)點(diǎn)的屬性區(qū)域，④中當(dāng)前選中節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)信息以及OBEO Designer所支持的對(duì)其屬性的修改定義都在這里填寫。

圖2 BFDT圖形化建模工具自定義界面

在.odesign文件中對(duì)建筑設(shè)備數(shù)字孿生圖形化建模工具進(jìn)行定義后，就可以通過運(yùn)行這些設(shè)置得到建筑設(shè)備數(shù)字孿生圖形化建模工具，該工具主要包括3個(gè)部分，如圖3所示：①是工具的畫板部分，用來放置呈現(xiàn)圖形化模型；②是工具欄，負(fù)責(zé)提供對(duì)建模圖元的選擇；③是屬性定義區(qū)，點(diǎn)擊選中①中的圖元后，在③中具體顯示該圖元的詳細(xì)信息，并可以通過提供的輸入框?qū)π畔⑦M(jìn)行修改，最終將模型中的所有信息呈現(xiàn)在這些圖元與連接關(guān)系中。

圖3 建筑設(shè)備數(shù)字孿生圖形化建模工具界面

3 數(shù)字孿生冷機(jī)模型構(gòu)建

隨著人們對(duì)居住環(huán)境適宜性要求的不斷提高，空調(diào)已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑設(shè)備中不可或缺的一部分，空調(diào)的普及在滿足人們生產(chǎn)生活需要的同時(shí)，其能耗與維護(hù)保養(yǎng)問題也日益凸顯，成為建筑領(lǐng)域研究的熱門問題。本文以空調(diào)系統(tǒng)中耗能占比超過40%[22]的冷機(jī)為研究對(duì)象，探討建筑設(shè)備數(shù)字孿生的模型構(gòu)建。

使用建筑設(shè)備數(shù)字孿生圖形化開發(fā)工具構(gòu)建冷機(jī)數(shù)字孿生模型，其中以“冷凍水出口溫度調(diào)節(jié)”過程為控制目標(biāo)，具體如圖4所示。

圖4 使用建模工具表示冷凍水出口溫度調(diào)整過程

虛擬感知器從其對(duì)應(yīng)的物理傳感器獲取冷機(jī)運(yùn)行真實(shí)值，并傳遞給冷凍水出口溫度控制器，控制器判斷冷機(jī)是否運(yùn)行在較優(yōu)區(qū)間，如果需要調(diào)整冷機(jī)運(yùn)行參數(shù)，則通過智能算法計(jì)算新的冷機(jī)運(yùn)行設(shè)置值，并借助當(dāng)前工況條件下對(duì)冷機(jī)性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）的計(jì)算模擬，驗(yàn)證新的運(yùn)行參數(shù)對(duì)提高冷機(jī)COP是否有效，無效則重復(fù)計(jì)算直到滿足優(yōu)化效果，有效則將新的運(yùn)行設(shè)置值傳遞給設(shè)置冷凍水出口溫度的虛擬執(zhí)行器，由虛擬執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)物理執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)際調(diào)節(jié)。

圖4的模型中還定義了BIM模型存儲(chǔ)器和BIM模型渲染引擎用于呈現(xiàn)冷機(jī)三維模型，對(duì)動(dòng)態(tài)的冷機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)則通過數(shù)字孿生冷機(jī)數(shù)值的動(dòng)畫器顯示。

4 結(jié)束語

隨著數(shù)字孿生逐步成為建筑領(lǐng)域信息化變革的重要使能技術(shù)，關(guān)于其理論與實(shí)踐方法的探索也在不斷深入。本研究基于模型驅(qū)動(dòng)工程設(shè)計(jì)思想，探索研究將建筑設(shè)備數(shù)字孿生從概念框架轉(zhuǎn)化為規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的圖形化模型的有效方法。通過分析領(lǐng)域特性，提取建筑設(shè)備數(shù)字孿生模型組成元素，實(shí)現(xiàn)了模型的統(tǒng)一描述，并進(jìn)一步定義元素的圖形化表現(xiàn)形式，從而實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)備數(shù)字孿生圖形化建模和相應(yīng)支撐工具的開發(fā)。最后，以某冷水機(jī)組的數(shù)字孿生模型為例，驗(yàn)證了圖形化建模方法的有效性。

下一步還將繼續(xù)研究基于模型驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生軟件實(shí)體開發(fā)，將建筑設(shè)備數(shù)字孿生的技術(shù)方法推向生產(chǎn)運(yùn)用，以此證明數(shù)字孿生技術(shù)在建筑智能運(yùn)維中的廣闊應(yīng)用前景，為建筑智能化研究提供有益參考。