李蘇亮，楊啟亮

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

建筑運維是建筑生命周期中時間跨度最長，也是最為復(fù)雜的一個階段[1]。這一階段的主要目標是維持各類機電設(shè)備，以及給排水、照明、通風、采暖等環(huán)境系統(tǒng)的正常運轉(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，對處于運維階段的建筑設(shè)備來說，一個正常、穩(wěn)定、可控的工作狀態(tài)是最理想的。除此之外，發(fā)生故障時要準確定位。為了提前預(yù)知故障風險所進行的檢修以及在綠色建筑理念背景下對設(shè)備節(jié)能所做的動態(tài)優(yōu)化，都是這一階段中十分必要且重要的運維活動[3]。而隨著建筑設(shè)備功能的不斷增加，自動化的水平不斷提升[4]，尤其是數(shù)據(jù)采集能力的不斷增強[5]，建筑運維面對的數(shù)據(jù)在深度和廣度上也越來越豐富。一方面，許多人工不便測量的點位由于傳感器的預(yù)置可以提供更加詳細的工況數(shù)據(jù)；另一方面，傳感器種類的增加使測得的數(shù)據(jù)涉及更多的物理場。大量運維數(shù)據(jù)為運維人員準確判斷、掌握設(shè)備運行情況提供了充足的數(shù)據(jù)支持，但同時在信息提取、綜合和分析等方面也因為數(shù)據(jù)量大、復(fù)雜度高而向傳統(tǒng)運維模式提出了挑戰(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的智能運維成為應(yīng)對傳統(tǒng)運維挑戰(zhàn)的可行辦法[7]。BIM為建筑數(shù)據(jù)的組織、計算和呈現(xiàn)提供了技術(shù)手段，基于BIM的智能運維也在一定程度上提高了BIM模型的動態(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體傳入數(shù)據(jù)及被動反映和被動反饋的狀態(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體之間實時動態(tài)交互，尤其是信息世界模型主動反饋物理實體，借助計算能力提高物理實體表現(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體動態(tài)運行機理，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映射物理實體，在信息世界構(gòu)建相應(yīng)的虛擬實體，反映物理實體的靜態(tài)屬性與動態(tài)規(guī)律，并集成智能應(yīng)用輔助生產(chǎn)實踐。這一技術(shù)的先進性已在諸如航空航天[9]、車間生產(chǎn)[10]、機床控制[11]和工藝提升[12]等方面得到了驗證。

建筑領(lǐng)域雖然對數(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，實現(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，如新加坡政府啟動的“數(shù)字孿生新加坡”計劃、英國布里斯托的數(shù)字孿生城市架構(gòu)方法以及中國雄安新區(qū)的數(shù)字孿生城市模型框架等[13]。在建筑層面，Lu等人認為，數(shù)字孿生在促進高效運維方面具有巨大潛力，并提出了一個5層系統(tǒng)架構(gòu)，用于集成異構(gòu)數(shù)據(jù)，構(gòu)造建筑級的動態(tài)數(shù)字孿生模型，從而實現(xiàn)智能管理，增強建筑與運維人員的交互[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，以便進行詳細的結(jié)構(gòu)分析。建筑物真實的幾何形狀、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，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)響應(yīng)評估、維修行為模擬和機械損傷預(yù)測等[15]。Lu等人提出了一種基于數(shù)字孿生的建筑異常檢測方法。以擴展后的工業(yè)基礎(chǔ)類（Industry Foundation Class，IFC）為數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成和操作。并集成貝葉斯算法預(yù)測建筑負載動態(tài)變化，有效提高了建筑運維實時監(jiān)測的效率和自動化程度[16]。

上述研究從特定建筑出發(fā)，圍繞目標問題構(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)實現(xiàn)的數(shù)字孿生體只能應(yīng)用于特定場景，難以高效率復(fù)用。

因此，本研究聚焦建筑設(shè)備這一運維活動中的重要主體[17]，借鑒模型驅(qū)動工程（Model-Driven Engineering，MDE）思想，從模型設(shè)計出發(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)字孿生特點融入模型元素，充分體現(xiàn)數(shù)字孿生模型的動態(tài)性、交互性和智能性，本研究的工作與貢獻主要包括以下2點：

（1）建筑設(shè)備數(shù)字孿生模型元素定義。從信息映射、物理機理模擬、動態(tài)交互3個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，既要實現(xiàn)對真實信息的充分映射，也要能夠與物理設(shè)備形成互動模式，從而體現(xiàn)數(shù)字模型的計算優(yōu)勢，為設(shè)備運維提供協(xié)助。

因此，本研究從信息映射、物理機理模擬和動態(tài)交互3個角度，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)的存儲與管理實體，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作為圖像渲染實體負責實現(xiàn)物理實體在信息世界的視覺鏡像。

1.2 物理機理模擬元素

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

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

1.3 動態(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來實現(xiàn)動態(tài)交互。BFDTSensor作為虛擬感知器與物理傳感器對應(yīng)綁定，作為建筑設(shè)備數(shù)字孿生體獲取設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)的入口；BFDTController封裝相關(guān)智能算法，利用BFDTSensor感知的運行數(shù)據(jù)計算最優(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)字孿生體對物理實體的反饋控制。為了最大化數(shù)字孿生體與物理實體的同步一致，定義BFDTAnimation負責物理部件的執(zhí)行動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，還需要對模型中的元素進行良好的圖形設(shè)計，以得到圖形化建模工具中的圖元。

2.1 圖元設(shè)計原則

用簡單直觀的圖元表達建筑設(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)準備成本[19]。而由于圖形具有直觀簡潔、含義豐富等特點，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，實現(xiàn)通過模型認知物理對象的目的。因此，在定義和擴展圖元時，應(yīng)當遵循以下幾個原則。

2.1.1 形狀、顏色區(qū)分

對同一類型的圖元應(yīng)當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，圖元的其他詳細信息可通過點擊打開詳細視圖，懸停彈出浮窗等方式做進一步展示。

2.1.3 圖標聯(lián)想度高

圖元中的圖標是除形狀、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，由于圖標具有擬像性，可以幫助建模人員和模型使用者更準確快速地理解圖元代表的模型元素。

2.1.4 視覺元素簡潔

建筑設(shè)備數(shù)字孿生模型往往涉及多個維度，多個物理場，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、顏色和圖標等）來區(qū)分不同的圖元，會造成模型信息的關(guān)注點因為視覺元素過多而受到干擾。因此，在設(shè)計圖元時，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)約簡潔。

2.2 圖元定義與說明

基于2.1中闡述的圖元設(shè)計原則，本研究中所定義圖元以方框加對應(yīng)圖標組成，在圖元周圍標示圖元實例名稱，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)計了圖元樣式，也為圖元之間的連接分別設(shè)計了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 建模工具實現(xiàn)

Ecore是Eclipse Modeling Framework（EMF）中基礎(chǔ)性的元模型，是對MOF中核心部分的參考實現(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EMF的支持整合，幫助用戶創(chuàng)建針對特定領(lǐng)域的圖形建模工作臺。

在OBEO Designer中構(gòu)建2.2節(jié)中的模型元素，OBEO Designer自動依據(jù)模型元素創(chuàng)建圖形化建模工具的開發(fā)環(huán)境，運行工具開發(fā)環(huán)境工程后，進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，逐個定義畫布中圖元的樣式、屬性，與模型中的元素形成對應(yīng)，再定義菜單欄中創(chuàng)建圖元的工具所對應(yīng)的標志；⑤是選中節(jié)點的屬性區(qū)域，④中當前選中節(jié)點的詳細信息以及OBEO Designer所支持的對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文件中對建筑設(shè)備數(shù)字孿生圖形化建模工具進行定義后，就可以通過運行這些設(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，負責提供對建模圖元的選擇；③是屬性定義區(qū)，點擊選中①中的圖元后，在③中具體顯示該圖元的詳細信息，并可以通過提供的輸入框?qū)π畔⑦M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)字孿生冷機模型構(gòu)建

隨著人們對居住環(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，其能耗與維護保養(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]的冷機為研究對象，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，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

虛擬感知器從其對應(yīng)的物理傳感器獲取冷機運行真實值，并傳遞給冷凍水出口溫度控制器，控制器判斷冷機是否運行在較優(yōu)區(qū)間，如果需要調(diào)整冷機運行參數(shù)，則通過智能算法計算新的冷機運行設(shè)置值，并借助當前工況條件下對冷機性能系數(shù)（Coefficient of Performance，COP）的計算模擬，驗證新的運行參數(shù)對提高冷機COP是否有效，無效則重復(fù)計算直到滿足優(yōu)化效果，有效則將新的運行設(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)動物理執(zhí)行機構(gòu)進行實際調(diào)節(jié)。

圖4的模型中還定義了BIM模型存儲器和BIM模型渲染引擎用于呈現(xiàn)冷機三維模型，對動態(tài)的冷機運行數(shù)據(jù)則通過數(shù)字孿生冷機數(shù)值的動畫器顯示。

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)于其理論與實踐方法的探索也在不斷深入。本研究基于模型驅(qū)動工程設(shè)計思想，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、標準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，實現(xiàn)了模型的統(tǒng)一描述，并進一步定義元素的圖形化表現(xiàn)形式，從而實現(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，以某冷水機組的數(shù)字孿生模型為例，驗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)動的數(shù)字孿生軟件實體開發(fā)，將建筑設(shè)備數(shù)字孿生的技術(shù)方法推向生產(chǎn)運用，以此證明數(shù)字孿生技術(shù)在建筑智能運維中的廣闊應(yīng)用前景，為建筑智能化研究提供有益參考。