陸正卿，方維嵐，苗延霖

（上海煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司，上海 200082）

1 概述

基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑物三維可視化技術(shù)的研究和應(yīng)用正成為學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的熱門話題之一，通過連接傳感器、設(shè)備與系統(tǒng)，實時獲取與分析各類數(shù)據(jù)，將三維模型直觀地展示給管理者。其涉及的技術(shù)包括數(shù)據(jù)采集、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)存儲與可視化建模等。為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，已提出與應(yīng)用了各種技術(shù)工具與框架。

2 相關(guān)技術(shù)綜述

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)包括傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和應(yīng)用平臺等方面。傳感器技術(shù)用于感知和采集環(huán)境中各種數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、光照等。通信技術(shù)負(fù)責(zé)將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳輸至云端或其他設(shè)備進(jìn)行處理和分析。數(shù)據(jù)處理技術(shù)涵蓋數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析等，用于從龐雜數(shù)據(jù)中提取有益信息。應(yīng)用平臺則提供統(tǒng)一接口和工具，以開發(fā)和布署物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

2.1.1 EclipseDitto

Eclipse Ditto 提供物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及其數(shù)字孿生融合的位置，是物聯(lián)網(wǎng)中的一項技術(shù)框架，該框架能夠管理數(shù)字孿生的狀態(tài)，實現(xiàn)數(shù)字孿生基于云的虛擬表示，將代表現(xiàn)實世界的對應(yīng)物（現(xiàn)實世界的“事物”，如傳感器、智能供暖、聯(lián)網(wǎng)汽車、智能電網(wǎng)、電動汽車充電站等設(shè)備）實現(xiàn)數(shù)字孿生融合。

Eclipse Ditto 使用了各種協(xié)議，如AMQP 1.0，AMQP 0.9.1，MQTT，Apache Kafka 或HTTP/WebSockets，其重點在于通過提供 Web API 來關(guān)注后端場景，以便簡化已連接（如通過Eclipse Hono）設(shè)備和來自客戶應(yīng)用程序或其他后端軟件的“現(xiàn)實事物”的協(xié)同工作。同時具備較高的擴(kuò)展性，未限定物聯(lián)網(wǎng)中的“物體”須提供指定的數(shù)據(jù)或結(jié)構(gòu)。

2.1.2 EclipseHono

Eclipse Hono 是一個開源項目，旨在為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備提供統(tǒng)一和擴(kuò)展的連接、通信和數(shù)據(jù)處理功能。其提供了一個輕量級的代理架構(gòu)，可與各種設(shè)備進(jìn)行通信，并將設(shè)備生成的數(shù)據(jù)路由到所需的云服務(wù)或應(yīng)用程序。其提供的遠(yuǎn)程接口用于將大量IoT 設(shè)備連接到后端并以統(tǒng)一的方式與它們進(jìn)行交互，而無需考慮設(shè)備通信協(xié)議。

2.2 可視化Three.js技術(shù)

隨著數(shù)字孿生應(yīng)用需求日益增加，三維可視化以更多維度去管理、展示數(shù)據(jù)，讓用戶更直觀有效地進(jìn)行決策管理。其中，WebGL 的技術(shù)較為成熟，是一種免費(fèi)的、跨平臺的3D 繪圖標(biāo)準(zhǔn)，是HTML5規(guī)范的組成部分之一。而在WebGL 中，Three.js 作為一個輕量級、開源免費(fèi)的開發(fā)框架，杰出的易用性和擴(kuò)展性使其得到行業(yè)的廣泛應(yīng)用。

Three.js 不僅封裝了WebGL 原始的API，還支持Canvas 動畫、CSS 動畫及許多實用的內(nèi)置對象，可快速實例化場景，并在開發(fā)中使用了很多圖形引擎的高級技巧，極大提高了性能。Three.js 的具體功能如下。

（1）細(xì)節(jié)簡化。Three.js 將WebGL 原生API 的細(xì)節(jié)抽象化，將3D 場景拆解為網(wǎng)格、材質(zhì)和光源（即其內(nèi)置了圖形編程常用的一些對象種類）。

（2）高性能。Three.js 采用了3D 圖形最佳實踐來保證在不失可用性的前提下，保持極高的性能。

（3）支持交互。WebGL 本身并不提供拾?。╬icking）功能（即是否知道鼠標(biāo)正處于某個物體上）。而Three.js 則固化了拾取支持，可輕松地為應(yīng)用添加交互功能。

（4）強(qiáng)擴(kuò)展性。為Three.js 添加新的特性或進(jìn)行自定義優(yōu)化是很容易的事情。若需某個特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，那么只需封裝到Three.js 即可。

（5）支 持HTML5 canvas。Three.js 不但支 持WebGL，而且還支持使用Canvas2D、Css3D 和SVG進(jìn)行渲染。在未兼容WebGL 的環(huán)境中可回退到其它的解決方案。

3 架構(gòu)及方案

3.1 業(yè)務(wù)需求

文章旨在探索基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑物3D 可視化框架技術(shù)，模擬大型園區(qū)場景，實現(xiàn)對園區(qū)中各建筑物消防系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、照明控制系統(tǒng)、空調(diào)控制系統(tǒng)等的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)可視化展示。依托物聯(lián)網(wǎng)及3D 可視化技術(shù)，在科技園區(qū)建設(shè)傳感網(wǎng)絡(luò)，在園區(qū)建筑物中的重要基礎(chǔ)設(shè)施和場所安裝溫度、濕度和安防等傳感器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集模并將其傳輸?shù)胶蠖讼到y(tǒng)進(jìn)行處理。將園區(qū)建設(shè)成一個廣泛存在感知的“物聯(lián)網(wǎng)”空間，對園區(qū)內(nèi)建筑物實行全面感知和感測。再由設(shè)備管理模塊用于注冊、連接和管理建筑物中的各種設(shè)備，確保其正常運(yùn)行和可靠性。通過創(chuàng)建建筑物的可視化3D 模型，實現(xiàn)實時交互和數(shù)據(jù)展示。

3.2 技術(shù)架構(gòu)

通過底層傳感器采集消防系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，使用Eclipse Ditto、Eclipse Hono 物聯(lián)網(wǎng)框架技術(shù)，通過MQTT 等通信協(xié)議方式接收傳輸數(shù)據(jù)，且使用Three.js 功能建立園區(qū)建筑物的3D 模型，并將數(shù)據(jù)來源匹配模型中的位置，通過可視化的方式展示數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)采集方案

3.3.1 消防系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

通過統(tǒng)一監(jiān)控應(yīng)用中的消防監(jiān)控模塊，實現(xiàn)與消防系統(tǒng)的集成和監(jiān)控。消防系統(tǒng)主要完成各種消防數(shù)據(jù)的探測、自動和手動報警及與噴淋系統(tǒng)的聯(lián)動控制。通過感煙火災(zāi)探測器、感溫火災(zāi)探測器等，在符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的前提下實現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的探測采集。

3.3.2 安防系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

通過統(tǒng)一監(jiān)控應(yīng)用中的安防監(jiān)控模塊實現(xiàn)與安防系統(tǒng)的集成和監(jiān)控，主要實現(xiàn)園區(qū)內(nèi)安防相關(guān)的各種資產(chǎn)數(shù)據(jù)、監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集和展示，同時實現(xiàn)對各種事件的監(jiān)控和監(jiān)控數(shù)據(jù)的存儲。通過監(jiān)控能夠快速對異常設(shè)備或事件進(jìn)行定位，及時查看現(xiàn)場或采取其他應(yīng)對異常的措施。

3.3.3 強(qiáng)電、弱電系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

通過統(tǒng)一監(jiān)控應(yīng)用中的強(qiáng)電、弱電設(shè)施，如照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)及機(jī)房設(shè)施的集成和監(jiān)控，采集各個設(shè)備的狀況和狀態(tài)數(shù)據(jù)、異常事件等，包括空調(diào)溫度、三相線電壓、停電報警及高/低電壓報警等，及時根據(jù)預(yù)案或現(xiàn)場判斷采取措施。

3.3.4 多媒體設(shè)備系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

通過多媒體設(shè)備監(jiān)控模塊與多媒體管理系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)對多媒體設(shè)備的監(jiān)測和控制，大致包含會場中控系統(tǒng)、公共廣播系統(tǒng)、視頻顯示系統(tǒng)、音頻擴(kuò)聲系統(tǒng)及遠(yuǎn)程控制終端系統(tǒng)等。

3.3.5 Wi-Fi系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

通過統(tǒng)一監(jiān)控應(yīng)用中的Wi-Fi 位置服務(wù)模塊與Wi-Fi 位置服務(wù)管理系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)對Wi-Fi 設(shè)備的監(jiān)測和控制、Wi-Fi 熱點位置信息的接入及Wi-Fi熱點設(shè)備實時工作狀態(tài)接入等，并實現(xiàn)以上接入信息的落地存儲。

3.3.6 設(shè)備管理模塊

設(shè)備管理模塊負(fù)責(zé)注冊、連接和管理建筑物中的各種設(shè)備。其提供了一套統(tǒng)一的接口和工具，用于設(shè)備的身份驗證、配置和狀態(tài)監(jiān)測。通過設(shè)備管理模塊，可實現(xiàn)對建筑物中的設(shè)備進(jìn)行集中管理和遠(yuǎn)程控制。

3.4 可視化Three.js方案

3.4.1 場景設(shè)置

將場景設(shè)定在大型園區(qū)內(nèi)部，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集園區(qū)內(nèi)某5層大型生產(chǎn)工廠建筑的各項數(shù)據(jù)指標(biāo)，并根據(jù)實際環(huán)境利用Three.js 制作三維場景，將數(shù)據(jù)以可視化形式展示，采集包括消防數(shù)據(jù)、安防數(shù)據(jù)、強(qiáng)弱電數(shù)據(jù)、多媒體設(shè)備數(shù)據(jù)及Wi-Fi 系統(tǒng)數(shù)據(jù)。擬定在工廠外部安裝溫度、濕度傳感器，用于判斷建筑外部的氣溫狀況。在工廠內(nèi)部，每個樓層均安裝了溫度、濕度等消防傳感器，監(jiān)控攝像頭等安防傳感器，用電數(shù)據(jù)記錄、用電實時監(jiān)測等強(qiáng)弱電傳感器，此外還包括多媒體設(shè)備、Wi-Fi 系統(tǒng)的傳感器，檢測設(shè)備等是否啟用及運(yùn)行情況，并在重點區(qū)域（如生產(chǎn)車間等）著重進(jìn)行監(jiān)控，將最終數(shù)據(jù)可視化展示。

3.4.2 靜幀圖片渲染

在場景中選擇三維表現(xiàn)效果較好的位置取景，并調(diào)整好攝影焦距。此過程與現(xiàn)實過程中的攝影類似，均采取“取景—調(diào)焦”的模式。利用Lumion3D 自帶的渲染工具，選擇渲染照片的像素即可生成靜幀圖片，此過程類似于現(xiàn)實中攝影的“快門”。

3.4.3 三維動畫生成

通過Lumion3D 中視頻編輯的功能，運(yùn)用關(guān)鍵幀記錄漫游位置設(shè)定漫游路徑，即在每一個關(guān)鍵幀的位置設(shè)定角度和焦距。在3D 游覽路線設(shè)計中，將工廠整體與內(nèi)部每個樓層間進(jìn)行聯(lián)動，可切換每個樓層查看內(nèi)部傳感器位置及實時返回事件，并將當(dāng)前突發(fā)故障的樓層以高亮顯示，可及時點入樓層查看故障信息。通過添加Lumion3D 自帶的渲染特效，可調(diào)整建筑的外觀以達(dá)到更好的渲染效果。

4 項目效果

通過試驗獲得了以下結(jié)果和分析。

（1）數(shù)據(jù)采集。建筑物群內(nèi)部各樓層的系統(tǒng)（包括消防、安防等）數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定，包括數(shù)據(jù)實時性、正確性、異常情況等。

（2）數(shù)據(jù)接收。各類數(shù)據(jù)（包括消防數(shù)據(jù)、安防數(shù)據(jù)等）傳輸穩(wěn)定，具備數(shù)據(jù)實時性、正確性，異常數(shù)據(jù)反饋及時且準(zhǔn)確。

（3）數(shù)據(jù)展示。各類數(shù)據(jù)（包括消防數(shù)據(jù)、安防數(shù)據(jù)等）查看便捷，界面交互性強(qiáng)，操作易上手，同時，易查看異常數(shù)據(jù)，并且用戶在移動端接收的異常事件工單具備準(zhǔn)確性、實時性，可針對問題及時采取措施。

試驗結(jié)果表明，該物聯(lián)網(wǎng)框架設(shè)計的系統(tǒng)具有良好的用戶體驗、高效的數(shù)據(jù)處理能力和穩(wěn)定的系統(tǒng)性能?；谖锫?lián)網(wǎng)的建筑物3D 可視化框架為建筑物管理和運(yùn)營提供了一種強(qiáng)大的工具和平臺。

5 結(jié)束語

基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑物3D 可視化技術(shù)是近年來研究的一個重要方向。通過將傳感器和設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接，實現(xiàn)對建筑物內(nèi)部和外部環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，從而使管理者可基于3D 可視化技術(shù)，更直觀地遠(yuǎn)程監(jiān)控建筑物的情況，并及時做出相應(yīng)處理，輔助管理者更好地監(jiān)測建筑物的運(yùn)行狀態(tài)和能源消耗情況。未來隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用場景的擴(kuò)大，相信這項技術(shù)將會得到更廣泛的應(yīng)用。