錢瑋昕，唐銘，張歡，呂勝，劉京*

0 引言

隨著建造技術的不斷提升，如今建筑功能多樣、布局復雜，繁多的內外擾動因素作用于室內環(huán)境。在建筑運營中，精準高效的人工環(huán)境控制方案依賴于準確的室內物理場信息，但對于復雜的室內流場，傳統(tǒng)的監(jiān)測方式往往存在離散測點數(shù)量稀少、代表性不足的缺陷，難以直觀表征物理場的分布特性，因此室內環(huán)境的精準監(jiān)控面臨巨大挑戰(zhàn)。

針對以上問題，數(shù)字化和可視化技術提供了解決途徑。數(shù)字孿生技術利用虛擬模型模擬物理實體的狀態(tài)[1]，基于數(shù)據(jù)交互完成狀態(tài)更新，從而實現(xiàn)對物理場的分析和預測。該技術起初用于航空航天[2]，但在數(shù)字化轉型和智能化升級的驅動力下，目前數(shù)字孿生也被廣泛應用于制造業(yè)[3-4]，同時也出現(xiàn)在結構健康監(jiān)測[5]和能源管理[6]等多種場景。在建筑業(yè)，受科技革命的影響[7]，數(shù)字孿生近年來也逐漸得到重視，相關研究主要集中于城市規(guī)劃、建筑設計與維護[8]，而以室內環(huán)境為對象的應用研究仍較為匱乏。

本文基于數(shù)字孿生的理念，提出利用CFD 模擬與集合卡爾曼濾波（Ensemble Kalman Filter，EnKF）數(shù)據(jù)同化算法相結合的方法，實現(xiàn)室內多物理場全局監(jiān)測與可視化呈現(xiàn)的目標，并以北京市某大型博物館展廳為例，驗證該技術的可行性和有效性。

1 室內物理場數(shù)字孿生技術框架的構建

實現(xiàn)數(shù)字孿生的重點有二：其一為虛擬模型的構建，其二是數(shù)據(jù)信息的收集與傳遞。對于虛擬模型，本研究采用CFD 模擬技術，根據(jù)物理空間實體構建幾何模型，并針對室內氣流、溫度和濕度等物理場建立數(shù)值模型。對于數(shù)據(jù)交互，通過空氣狀態(tài)傳感器采集監(jiān)測數(shù)據(jù)，將其傳遞給虛擬模型用以校正模型的邊界條件，而后更新模擬的物理場狀態(tài)以評估室內環(huán)境。數(shù)值模擬與測量數(shù)據(jù)的融合借助EnKF 數(shù)據(jù)同化算法來完成，該算法立足于貝葉斯理論，在考慮背景誤差和觀測噪聲的基礎上求解真實物理場的近似狀態(tài)。

基于以上基本原理，建立室內物理場數(shù)字孿生技術框架（圖1）。該框架由數(shù)值模擬、傳感器測量、數(shù)據(jù)傳遞及EnKF 數(shù)據(jù)同化等部分組成，其中涉及的詳細算法見參考文獻[9]。

1 室內物理場數(shù)字孿生技術框架

2 應用案例

本研究以北京市某大型博物館“古代書畫展廳”為應用場景，該展廳所陳列的中國古代著名書畫作品對熱濕環(huán)境有較為嚴苛的要求，故須準確掌握溫濕度場的全局信息。根據(jù)展廳建筑構造建立幾何模型（圖2）。據(jù)統(tǒng)計，該展廳中照明、設備等開啟率較為穩(wěn)定，室內人流量雖有波動，但帶來的熱濕變化相對較小，可忽略不計，此外空調系統(tǒng)定風量運行，而送風溫度、濕度及外墻傳熱成為影響室內環(huán)境的主要邊界條件變量。

2 展廳幾何模型

本案例中，展廳中溫濕度傳感器布設位置見圖2，測試時間為2021 年9 月- 2022 年2 月。為校正模型邊界條件參數(shù)以更新物理場狀態(tài)，選用測點B、C、D 為模型融合的測量數(shù)據(jù)來源，而測點A 的對比數(shù)據(jù)驗證該技術在非數(shù)據(jù)同化節(jié)點處的模擬精度。

3 結果分析

通過虛擬模型與物理實體中傳感器數(shù)據(jù)的融合，展廳數(shù)值模型由初始設定條件更新為與實際相匹配的運行工況，圖3、4 為每月第一日正午時間展廳溫濕度場模擬結果，室內平均溫度在20℃～22℃范圍內變化，整體分布較為均勻，但與外墻相鄰區(qū)域的溫度受室外溫度影響存在偏高或偏低的現(xiàn)象。此外，室內空氣平均相對濕度在50%～60%范圍內變化，但由于溫度場存在局部溫度較低的問題，相應位置空氣相對濕度則較高，不利于藏品的保存。

3 展廳溫度場模擬結果

4 展廳濕度場模擬結果

將測試時間段內物理場的模擬結果與監(jiān)測點的實測值展開對比，圖5 所示為監(jiān)測點位置模擬溫濕度的平均相對誤差。結果表明，模擬溫度平均相對誤差最大為3.0%，約為0.6℃，相對濕度平均相對誤差最高為4.6%，可見本研究提出的方法能夠較為準確地反映室內溫濕度場的實際分布。

5 模擬溫濕度的平均相對誤差

4 結論

本研究提出基于CFD 模擬與EnKF 數(shù)據(jù)同化相結合的數(shù)字孿生技術，建立實際物理場的虛擬模型，并通過融合觀測數(shù)據(jù)來呈現(xiàn)室內空氣環(huán)境的全局分布狀態(tài)。以博物館展廳為例的溫濕度場模擬應用測試表明，該技術能夠結合少量的傳感器測試數(shù)據(jù)來求解全局空間中物理場的分布，并且結果較為準確，測點位置溫濕度平均相對誤差分別在0.3%～3.0%以及1.2%～4.6%范圍內，均為工程可接受范圍。通過該技術可直觀判斷室內是否存在空氣狀態(tài)未達標的空間區(qū)域。然而利用數(shù)字孿生監(jiān)控室內空氣物理環(huán)境仍處于初級探索階段，在今后的工作中還需進一步研究實測方案制定原則、孿生模型與控制系統(tǒng)的聯(lián)動機制等方面內容，從而建立完善的技術體系并在建筑領域推廣應用?！?/p>