針對當(dāng)前智能建筑系統(tǒng)集成領(lǐng)域存在的問題和難點，提出基于數(shù)字孿生的智慧建筑系統(tǒng)集成新方法。給出了數(shù)字孿生系統(tǒng)的機(jī)理描述，完成數(shù)字孿生體系構(gòu)建。提出了數(shù)字孿生建筑系統(tǒng)集成參考模型，擺脫了強耦合的分布式體系束縛，形成以數(shù)字孿生系統(tǒng)為核心的平行網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。給出了數(shù)字孿生建筑集成系統(tǒng)架構(gòu)圖，提出建筑數(shù)字孿生交互系統(tǒng)概念并作為智慧建筑數(shù)字孿生系統(tǒng)的中樞。提出由數(shù)字孿生建筑系統(tǒng)集成構(gòu)建數(shù)字孿生城市的思路。認(rèn)為數(shù)字孿生模式下的城市信息模型CIM應(yīng)依托數(shù)字孿生理論和技術(shù)建立，
宜采用基于模型的復(fù)雜系統(tǒng)工程思維。CIM的建立可由數(shù)字孿生建筑通過系統(tǒng)集成產(chǎn)生，這也是CIM構(gòu)建的一條可行路徑。
1智能建筑集成系統(tǒng)問題分析
傳統(tǒng)智能建筑集成系統(tǒng)存在如下問題：
（1）信息化平臺多樣化。
（2）缺少智能計算模型。
（3）缺乏支撐智能計算的有效建筑大數(shù)據(jù)和參數(shù)集。
（4）缺乏支撐從建筑本體抽象出來的建筑知識。
（5）缺乏建筑知識之間的關(guān)系描述。
（6）尚未構(gòu)建建筑知識圖譜。
（7）系統(tǒng)集成前缺乏仿真分析。
（8）建筑信息模型與建筑物聯(lián)網(wǎng)間缺乏有效融合。
（9）系統(tǒng)運行過程缺乏可視化監(jiān)控。
（10）動靜態(tài)數(shù)據(jù)缺乏有機(jī)融合。
（11）缺乏多層級多類型模型表示。
（12）缺乏大范圍全局性深度集成方法。
針對以上問題，提出基于數(shù)字孿生的新型智慧建筑系統(tǒng)集成參考模型?；跀?shù)字孿生的新型智慧建筑系統(tǒng)集成參考模型擴(kuò)展了傳統(tǒng)建筑智能化集成系統(tǒng)模型，綜合更多類型數(shù)字技術(shù)、智能模型、業(yè)務(wù)模型，實現(xiàn)多層級管理與控制。以多粒度數(shù)字孿生系統(tǒng)為紐帶，打通以智慧建筑集成管理系統(tǒng)（SBMS）為核心的數(shù)字孿生建筑集成系統(tǒng)主信息流，打破橫向、縱向數(shù)據(jù)孤島?；诖藚⒖寄Ｐ?，可開發(fā)以數(shù)字孿生為紐帶，開放性強、可擴(kuò)展性強、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化新型智能建筑集成系統(tǒng)。新型智能建筑集成系統(tǒng)擺脫了強耦合的分布式體系束縛，形成以數(shù)字孿生系統(tǒng)為核心的平行網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
2數(shù)字孿生機(jī)理描述暨體系構(gòu)建
數(shù)字孿生的主要理論淵源和基礎(chǔ)是：系統(tǒng)工程及系統(tǒng)建模與仿真理論，現(xiàn)代控制理論，模式識別理論，計算機(jī)圖形學(xué)，數(shù)據(jù)科學(xué)。從系統(tǒng)工程的視角來看，數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)建是一項典型的系統(tǒng)工程，涉及到目標(biāo)確立、需求分析、技術(shù)開發(fā)、理論研究、場景應(yīng)用等實現(xiàn)環(huán)節(jié)。數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)建與開發(fā)奠定了數(shù)字孿生系統(tǒng)論的基石。數(shù)字孿生系統(tǒng)的構(gòu)建與開發(fā)方法描述如下：以數(shù)字孿生系統(tǒng)需求為導(dǎo)向，設(shè)計數(shù)字孿生系統(tǒng)軟件架構(gòu)，研發(fā)數(shù)字孿生系統(tǒng)軟硬件平臺與技術(shù)，在數(shù)字空間和物理場景中進(jìn)行同步測試與驗證。物理實測信息反饋到虛擬仿真系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)與物理系統(tǒng)進(jìn)行實時或事件驅(qū)動下的不定時比對與匹配，得到二者誤差，再以誤差作為虛擬系統(tǒng)控制算法的輸入，通過自動控制策略實現(xiàn)誤差的迭代削減，直至衰減為零。整個數(shù)字孿生信息物理系統(tǒng)的運行是一個動態(tài)平衡與自主優(yōu)化的過程。數(shù)字孿生系統(tǒng)的機(jī)理描述（數(shù)字孿生體系構(gòu)建）如圖1所示。
圖1數(shù)字孿生系統(tǒng)機(jī)理描述
3數(shù)字孿生建筑集成系統(tǒng)模型
基于數(shù)字孿生的新型智慧建筑系統(tǒng)集成參考模型，即數(shù)字孿生建筑系統(tǒng)集成參考模型如圖2所示。
圖2數(shù)字孿生建筑系統(tǒng)集成參考模型
參考模型包含五個層次：單元級、單系統(tǒng)級、集成系統(tǒng)級、企業(yè)級、商業(yè)級。每個層級內(nèi)部均可采用數(shù)字孿生，從而實現(xiàn)多個顆粒度上的數(shù)字孿生。
綜合應(yīng)用智能控制、人工智能、BIM、GIS、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、系統(tǒng)仿真、AR/VR等新一代信息技術(shù)，建立符合未來建筑系統(tǒng)集成需求的功能全面、集成度高、技術(shù)先進(jìn)的數(shù)字孿生建筑系統(tǒng)，賦能傳統(tǒng)建筑改造及傳統(tǒng)建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，全面提升建筑產(chǎn)業(yè)的智能化水平。數(shù)字孿生建筑系統(tǒng)包括四大基礎(chǔ)模型系列：物理模型，邏輯模型，構(gòu)件模型，數(shù)據(jù)模型。這些模型組成以物理模型為核心的多模型體系。基于多模型的數(shù)字孿生建筑，以及基于數(shù)字孿生建筑衍生的數(shù)字孿生建造概念模型如圖3所示。
圖3基于多模型的數(shù)字孿生建筑與數(shù)字孿生建造概念模型
基于數(shù)字孿生的智慧建筑系統(tǒng)集成架構(gòu)如圖4所示。
圖4數(shù)字孿生建筑集成系統(tǒng)架構(gòu)
基于數(shù)字孿生的智能建筑集成系統(tǒng)具有以下功能：將物理建筑中的實體模型及業(yè)務(wù)模型轉(zhuǎn)化為虛擬建筑的信息模型，并建立虛擬建筑與物理建筑之間低延時、高保真的虛擬鏡像。利用基于數(shù)字孿生的智能仿真計算技術(shù)，仿真模擬建筑構(gòu)件從需求到產(chǎn)品加工制造，到施工應(yīng)用，再到工程交付的全過程，形成優(yōu)化的仿真結(jié)果，指導(dǎo)物理建筑的規(guī)劃、建設(shè)及運營。物理建筑的實時數(shù)據(jù)和事件信息為虛擬建筑模型提供反饋修正。通過數(shù)字孿生可視化建模工具，開發(fā)立體可視化人機(jī)交互界面，方便管理和技術(shù)人員直觀了解建筑工程全生命周期。
基于數(shù)字孿生的智慧建筑系統(tǒng)集成特征主要體現(xiàn)在以下三方面。
1）建筑物理孿生體的知識高度集成。建筑物理孿生體中的智能傳感器負(fù)責(zé)采集參數(shù)，因此數(shù)字孿生建筑系統(tǒng)可不斷從儀器儀表、PLC、DDC、管理系統(tǒng)及互聯(lián)網(wǎng)獲取數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的持續(xù)更新。數(shù)據(jù)經(jīng)過加工處理后形成建筑物的領(lǐng)域知識，包括建筑信息模型、業(yè)務(wù)流、工藝流、物料流、商物流等。知識通過數(shù)字孿生系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)互通，生成實時管控和決策所需的各項支撐性參數(shù)，同時參數(shù)基于模型和算法生成數(shù)字孿生建筑系統(tǒng)的知識集和知識類型。
2）數(shù)字孿生交互系統(tǒng)作為物理工廠建筑物理孿生體與建筑數(shù)字孿生體集成的紐帶。建筑數(shù)字孿生體實現(xiàn)智能建筑現(xiàn)場施工及后期運維作業(yè)的自動控制與智能決策，建筑的所有事件通過數(shù)字孿生體在虛擬建筑空間進(jìn)行仿真建模與分析。在施工和運行過程中，數(shù)字孿生體自動向物理孿生體傳送最優(yōu)控制指令，并協(xié)調(diào)現(xiàn)場控制系統(tǒng)執(zhí)行指令，同時現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)通過數(shù)字孿生體傳入虛擬建筑空間進(jìn)行模型和參數(shù)的修正,從而形成智能建筑集成系統(tǒng)的閉環(huán)管控。
3）以建筑數(shù)據(jù)湖為數(shù)字基座實現(xiàn)數(shù)據(jù)智能。建筑數(shù)據(jù)湖是一個存儲各種各樣原始數(shù)據(jù)的大型倉庫，其中的數(shù)據(jù)可供存取、處理、分析及傳輸。數(shù)據(jù)湖是以其自然格式存儲的數(shù)據(jù)的系統(tǒng)或存儲庫。數(shù)據(jù)湖可以包括來自關(guān)系數(shù)據(jù)庫（行和列）的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（CSV，日志，XML，JSON），非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（電子郵件，文檔，PDF）和二進(jìn)制數(shù)據(jù)（圖像，音頻，視頻）。
4基于數(shù)字孿生建筑構(gòu)建數(shù)字孿生城市
在數(shù)字孿生城市建設(shè)初期，基于BIM技術(shù)、3D-GIS技術(shù)等為城市構(gòu)建城市三維信息模型CIM，為城市各建筑或結(jié)構(gòu)物、自然資源等賦予數(shù)字化屬性，從而對城市的真實地形、地上地下景觀進(jìn)行數(shù)字化三維模擬，給政府提供一個與真實城市一致的虛擬城市環(huán)境。通過物聯(lián)網(wǎng)、智能感知技術(shù)、智能控制技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)+等技術(shù)對建筑和城市實體運行狀況進(jìn)行實時監(jiān)測與管控。
隨著數(shù)字孿生理論和技術(shù)的成熟，數(shù)字孿生建筑、數(shù)字孿生城市相關(guān)理論正在逐步建立，相關(guān)技術(shù)正在開發(fā)驗證中。建筑數(shù)字孿生體和城市數(shù)字孿生體可為“全周期”閉環(huán)管理的城市智慧治理提供保障。依據(jù)建筑和城市數(shù)字孿生體做出的智慧治理決策指令，能夠反作用于城市物理空間，典型的應(yīng)用是：城市災(zāi)害監(jiān)測與防控，應(yīng)急管理預(yù)案可通過城市數(shù)字孿生體進(jìn)行預(yù)先演練和綜合模擬驗證，實現(xiàn)對各類應(yīng)急資源的優(yōu)化整合與合理調(diào)度。
數(shù)字孿生系統(tǒng)集成法具有集大成的特點，基于數(shù)字孿生理論和方法發(fā)展智慧建筑系統(tǒng)集成，有可能在未來成為智慧建筑系統(tǒng)集成理論與工程實踐的主導(dǎo)模式。建筑數(shù)字孿生體從數(shù)據(jù)和模型的角度，依據(jù)復(fù)雜系統(tǒng)控制與決策理論為建筑信息模型提供了科學(xué)性和落地性都極強的解決方案。基于數(shù)字孿生建筑和建筑信息模型，可構(gòu)建出由模型到系統(tǒng)再到體系的微觀與宏觀一體化的智慧建筑系統(tǒng)集成模式，真正實現(xiàn)基于模型的建筑系統(tǒng)工程。數(shù)字孿生建筑的泛在互聯(lián)可構(gòu)建出現(xiàn)代建筑工業(yè)化體系，進(jìn)而構(gòu)建出基于信息物理系統(tǒng)的數(shù)字孿生城市。在此基礎(chǔ)上，可構(gòu)建數(shù)字孿生城市模式下的城市信息模型（City Information Modeling，CIM）。
城市信息模型是以數(shù)字孿生為理論基礎(chǔ)，以城市數(shù)據(jù)為信息基礎(chǔ)，以城市空間地理信息模型、BIM模型及城市智能計算系統(tǒng)模型等多模型為核心，以數(shù)據(jù)為線索，建立起的服務(wù)于城市場景應(yīng)用的數(shù)字孿生體。建立城市信息模型的目的是使城市信息得到更加科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、統(tǒng)一、明確的表達(dá)，為城市建設(shè)與治理提供數(shù)字引擎。城市信息模型試圖從城市建模的角度為城市提供更加科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋磉_(dá)，以“信息”為主線貫穿城市空間，使物理分散的城市在信息空間中實現(xiàn)邏輯集成，因此能夠更好地優(yōu)化城市、管理城市、治理城市。CIM應(yīng)依托數(shù)字孿生理論和技術(shù)建立，宜采用基于模型的復(fù)雜系統(tǒng)工程思維。CIM的建立可由數(shù)字孿生建筑通過系統(tǒng)集成產(chǎn)生，這也是CIM構(gòu)建的一條可行路徑。
5創(chuàng)新點
基于數(shù)字孿生的智能建筑集成系統(tǒng)的創(chuàng)新點如下：1）大數(shù)據(jù)驅(qū)動的三維虛擬建筑場景呈現(xiàn)。2）建筑系統(tǒng)數(shù)據(jù)的工程全生命周期貫通。3）故障異常的實時監(jiān)測與預(yù)測性維護(hù)。4）智能指揮決策與統(tǒng)一協(xié)同調(diào)度。
數(shù)字孿生系統(tǒng)集成法具有集大成的特點，基于數(shù)字孿生理論和方法發(fā)展智慧建筑系統(tǒng)集成，有可能在未來成為智慧建筑系統(tǒng)集成理論與工程實踐的主導(dǎo)模式。建筑數(shù)字孿生體從數(shù)據(jù)和模型的角度，依據(jù)復(fù)雜系統(tǒng)控制與決策理論為建筑信息模型提供了科學(xué)性和落地性都極強的解決方案?；跀?shù)字孿生建筑和建筑信息模型，可構(gòu)建出由模型到系統(tǒng)再到體系的微觀與宏觀一體化的智慧建筑系統(tǒng)集成模式，真正實現(xiàn)基于模型的建筑系統(tǒng)工程。
