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    城市建筑设施云网平台研究


    作者:仲凯 ,莫日根, 刘广波   |   发布时间:2020-09-25   |   点击数:123

    1 前言

    我国城市化速度逐年加快,城市建筑设施为百姓生活、经济建设和生态文明建设提供了强大的物质基础。在《“十三五”国家信息化规划》和住建部《2016-2020年建筑业信息化发展纲要推动下,BIM、大数据、智能化、移动通讯、云计算、物联网等信息技术在建筑行业得到广泛应用。智能建筑业在数字化、网络化、智能化发展方面取得积极成果。信息技术在塑造建筑业新业态方面起着重要支撑作用。

    目前,在城市建筑设施全生命周期中,建筑设施数据分属不同机构、数据量大、数据分散、数据格式各异、共享难,对建筑设施的监管和安全利用提出了巨大挑战。这使城市管理者无法掌握城市建筑设施的准确运行情况,重大安全事故时有发生,严重影响国家和人民群众生命和财产安全。特别是城市规模扩大,对城市建筑设施规划、设计、建设和运营一体化、系统化的呼声日益高涨。因此,加强和加速我国城市建筑设施数字化、云化、平台化势在必行。

    2建筑设施数字化分析

    2.1我国城市建筑设施信息化现状

    城市建筑设施全生命周期一般包括规划、设计、建设、交付应用和拆除几个阶段。在城市建筑设施不同阶段,各个建设机构采用多种信息技术,提高建设的质量和效率。但是,由于城市建筑设施的规划、设计、建设和运营数据分散在不同的建设者手中,没有形成建筑设施自身完整的数字档案。建筑设施产生各式各样的信息孤岛,不利于城市建筑设施管理和利用。这种现状是由多个因素造成的。其中一个很重要的因素是在建筑设施的管理过程中,缺少一种建设和管理城市建筑设施全生命周期数字的体制机制。急需通过国家政策、制度、标准规范方面的指导和引领,加强建筑设施数字化工作,加速城市建筑设施数字化平台建设,构建城市智能建筑设施体系。

    2.2我国城市建筑设施数据类型分析

    城市建筑设施从规划开始到拆除积累了大量的数据,这些数据范围广、类型多、数据规模大并分属不同机构,在建筑设施的不同阶段和领域起着不同的作用。在建筑设施规划设计阶段有CADBIM、建设指标和文字材料等数据:在建设阶段有BIM、材料、施工、监管、质量、视频和施工等数据;在运行阶段有环境、能源、安防和视频等数据;在经营或运营阶段有物业、企业、产值、人员、车辆和产品等数据。这些数据共同刻画了建筑设施在不同阶段的变化和发展情况,为建筑设施的规划、设计、建设和应用提供强有力的决策支撑。

    通过分析,我们认为,虽然建筑设施的数据范围、类型和规模不同,但这些数据都可以分类到三个领域。其中规划、设计、施工、竣工、维修、结构、材料、建造工艺、改造情况、加工、监测评估等数据,与建筑设施的物理本体有关,我们称这类数据为建筑设施基础数据;能耗、消防、给排水、安防、电梯和环境质量等数据反映的是建筑设施应用的保障服务情况,我们称之为建筑设施运行数据:运营、管理、人员、产品生产、产能等数据,反映的是建筑设施的利用率等情况,我们称之为建筑设施经营数据。

    因此,我们在下面的研究中,以建筑设施基础、运行和运营三大类数据研究建筑设施的发展规律。建筑设施三类数据充分反映了建筑设施健康、运行和使用情况。建筑设施数据为不同的机构和公众提供不同的业务支撑。城市建筑设施数据由静态(低变化)和动态(高变化)数据组成,如图1所示。

     

    城市建筑设施在全生命周期中,这三类数据相互作用,共同刻画建筑设施的城市功能承载能力。

    2.3城市建筑设施全域模型

      通过对城市建筑设施数据结构的分析,我们基本掌握了城市建筑设施的数据范围,类型和应用价值。为了精准描述城市建筑设施,在深入研究其数据类型的基础上,提出了城市建筑设施的全域类型。该模型由三个主要模型(基础、运行和运营模型)及一个扩展模型组成。建筑设施全域模型如图二所示。

    建筑设施基础模型:该模型将为建筑设施建立身份证框架和模型并用来描述建筑设施的用途、结构、材料、性能等属性。记录建筑设施进行过的重大改造、修缮、监测、加固、修缮及评估报告等数据。

    建筑设施运行模型:描述建筑设施供水、供电、制冷制热、消防、安防、环境控制等设施设备的运行情况,为建筑设施的安全、稳定、低碳、环保和舒适性提供保障服务。记录机电设备、应用系统和他设备资产的运行、告警、历史等数据。

    建筑设施运营( 经营)模型:主要用来描述建筑设施承载的业务功能,如建筑设施的投资机构、运营机构、物业机构、入驻企业、人员规模、产品等数据。

    建筑设施扩展模型:考虑到建筑设施的用途、种类以及外延非常复杂,该模型提供了扩展功能,平台使用者利用这个扩展模型补充自己的业务,以便更全面描述自身建筑设施情况,为其数字化管理奠定基础。

    2.4城市建筑设施云网体系

    城市建筑设施云网体系(简称云网体系)是利用建筑设施的全域模型使建筑设施数字化。利用物联网和互联网等技术将建筑设施连接到城市建筑设施云中心(简称云中心),让城市中每个建筑设施拥有伴随其全生命周期的云档案。利用物联网和通信技术实时感知城市建筑设施的运行变化,给城市建筑设施资源利用赋能。在云中心,利用物联网、互联网和大数据技术把这些建筑设施云档案重构,构建城市建筑设施的数字李生体。该数字孪生体为分析和研究城市建筑设施发展规律提供了模拟空间,使得城市管理者具有更强大的决策辅助工具。政府、城市管理者、企业和公众利用数字孪生体和云档案,研究城市建筑设施发展规律,评估和保障设施安全和健康,对接城市建筑设施建设的供需需求,通过云网体系治理城市建筑设施规划、设计、建设和利用过程中遇到的各种问题,促进产业发展。

    3城市建筑设施云网平台建设

    城市建筑设施云网平台(简称云网平台)是基于城市建筑设施云网体系开发的城市建筑设施治理的公共服务平台。云网平台通过数字化、物联网和互联网技术,将城市建筑设施连接到统一的公共云平台上,利用BIM3DS、数字孪生和大数据技术,重构与物理城市建筑设施同生长的城市建筑设施数字孪生体。该数字孪生体为我们发现和研究城市建筑设施发展规律提供了可视仿真虚拟空间。云网平台提供强大的数据平台并利用其数据中台增强其城市治理能力,同时还提供了城市建筑设施互联平台(简称互联平台),能够实时感知城市建筑设施的变化,既可以进行区域及全市建筑设施资源优化配置和调度管理,又可以将连入互联平台的建筑设施数据实时上传至数据平台,获得反向赋能给建筑设施,使得建筑设施更加智能。云网平台提供快速入网的建筑设施入网系统(简称入网系统),它是一个功能强大的边缘计算控制系统,既可以给建筑设施提供本地计算能力,也可以将建筑设施快速连入云中心,使其成为城市建筑设施资源体系的重要组成,获得更多的赋能。

    3.1总体架构

      基于城市未来建筑设施应具有智能承载功能的要求,在总体架构设计时,我们采用了建筑设施数字化,数据中台化,中台赋能产业化的理念,并应用建筑设施数据建模、云服务公共数据中台、互联互动和智能建筑设施等技术,构建具有强大的互联感知、数字化、数据整合、数据服务和业务协同能力的公共服务平台。平台具有强大的粘合力和可扩展能力,以适应未来城市发展要求。建筑设施总体架构如图3所示。

    云网平台由云中心、数据平台、互联平台和入网系统组成。云中心是云网平台的窗口,对外提供建筑设施行业公共服务。数据平台是城市建筑设施行业大数据平台,包含强劲的建筑设施数据中台,它是驱动城市建筑设施治理的强大引擎,为建筑设施资源优化配置和利用提供治理能力服务。互联平台是连接城市建筑设施的粘合剂和区域建筑设施管控的大型物联感知平台,是建筑设施数据承上启下的枢纽。它通过建筑设施接入系统把城市建筑设施纳入到智能体系中,为城市功能弹性承载提供支撑。下面将详细介绍平台各个组成部分的主要功能和实现技术。

    3.2城市建筑设施云中心

    云中心是云网平台的窗口。云中心将提供注册及账户管理、政务及城市服务、建筑设施产业联盟管理等功能模块。城市建筑设施云中心功能如图4所示。

    3.2.1 账户管理(注册管理)

    为了加速城市建筑设施数字化、云化和平台化,促成建筑行业转型升级发展,在云网平台中引入了双账户模型。该模型解决云网体系中的两个问题:一是解决数据资产的生产、消费和管理相关的产权问题,为数据资产共享应用奠定基础;二是解决建设中的供需对接问题。政府产业政策和标准规范指导下,让建筑企业进入各自相应的产业链,规范自身生产管理行为,建立起核心竞争力强的现代建筑企业。双账户模型如图5所示。

     注册用户分为通用和产业链账户。所有账户都分为政府,企业和个人账户。云网平台提供建筑设施健康,运行和运营管理等三类产业链生态系统。同时提供创建产业链的功能,建筑企业或其他行业,在云网平台自助建立产业链,实现供需高速对接,以促进自身行业高质量发展。

    3.2.2政务服务

    ( 1)科学规划、高质量发展。政府通过云网平台掌握全国城市建筑设施经营、能耗、安全、健康情况,总量规模、超限年龄和危险等级等数据。利用云网平台提供的分析工具,评估城市建筑设施与百姓生产、生活和生态发展的匹配程度。进而制订科学的城市建筑设施发展规划,高效配置建筑设施资源,发挥其最大效能,为产业、民生发展和生态文明建设提供安全可靠的基础环境。

    ( 2)科学引导、促进产业转型升级。针对我国建筑行业规模较大、水平较低的情况,政府利用云网平台上的产业链服务功能,提升建筑行业市场环境,通过制度、技术和资金的综合应用,促进我国建筑企业的转型升级。

    3.2.3城市服务

    ( 1)赋能城市建筑设施资源治理能力。城市管理者通过云网平台,在城市建筑设施一张图上能够看到城市建筑设施总量、分布、经营和安全运行等情况。因此,城市管理者根据城市建筑设施总体发展情况,结合城市未来发展要求,更加科学全面规划城市建筑设施建设,提高利用率,高效配置资源,为城市可持续发展奠定了富有弹性的物质基础。

    ( 2 )赋能城市综合治理能力。城市管理者利用云网平台提供的数据分析、仿真和人工智能技术,在城市建筑设施资源图上,对产业、民生、生态、公共服务、公  共安全、能源和水资源等方面进行全范围的规划和布局。并利用云网平台提供的数据和工具软件进行仿真和验证,通过不断实践和完善,使城市得到更科学、系统和精准的治理。

    (3)赋能城市建筑设施安全

    保障预警能力。云网平台为每个建筑设施建立了记录其变化的全生命周期云档案。通过物联网技术,实时监测建筑设施的运行情况,利用机器学习技术,对建筑设施的倾斜、老化、衰竭和安全因素进行跟踪分析,并根据阈值实时提出预警报告,把安全隐患消灭在萌芽状态,为城市奠定安全基石。

    ( 4)赋能城市公共服务能力。城市公共服务能力是城市重要核心竞争力。城市管理者利用云网平台,全面分析和实施城市公共设施规划、设计、建设和运营工作。并根据现实运行情况,化配置城市公共服务设施资源,全面盘活已建的城市公共服务设施资源,进而全面提高城市公共服务设施资源利用率,给城市发展提供强大的支撑。

    3.2.4产业服务

    云网平台打造了政策、市场、企业连接起来的产业链生态系统。政府通过该平台,对我国建筑企业发展全方位地分析和总结,制订科学合理的建筑行业发展规划和政策保障体系,促进建筑设施建设行业规范化、标准化、规模化、专业化发展,加速建筑设施行业的全面转型升级。产业链生态系统中的建筑企业和相关机构在政策和市场供需纽带的牵引下,与投资及资产运营机构和社会公众,共同协作、提高工作效率、提高核心竞争力,打造充满活力和创新力的建筑企业,实现建筑行业的全面转型升级。

    3.2.5建筑设施云中心技术实现

    云中心的核心功能是对外提供建筑设施通用和产业链服务。为此,把平台服务功能产品化,把每个产品封装成一个微服务,给平台用户提供个性化服务。如果平台用户是产业链用户,平台通过区块链技术进行权限的控制管理和资源的开放共享,保障数据的安全和作业的规范。考虑到有些建筑企业可能参与多个产业链活动,为此我们通过跨链权益互信技术,实现建筑企业在不同的专业领域开展工作,实现既要合规,又要业务多元化发展。云中心通过微服务、区块链和数据中台技术,为前端客户提供个性化的服务,使得城市建筑设施行业发展进入崭新的时代。

    3.3城市建筑设施数据平台

    3.3.1城市建筑设施数据平台组成

    数据平台是对连入云网平台的建筑设施建立云档案,建立建筑设施的三类主题数据库和扩展库,并基于GISBIM技术,对每个建筑设施构建其数字孪生体,再通过地理信息和其他综合数据构建更大范围的建筑设施群的数字孪生体,最终形成城市建筑设施大数据平台。此外,再构建数据中台。它是将政策、城市治理需求、数据资源和新技术创新充分融合的公共服务治理引擎。

    数据平台由数据中台、业务数据和运营中心数据组成。数据平台的主要功能模块如图6所示。

    中心运营 数据包括平台上所有账户、账户行为、产业链行为、专业领域、中台构建和中台产品的管理数据。

      建筑设施业务数据库是城市建筑设施的数字孪生,反映了城市建筑设施的总体及运营情况和未来发展趋势。它包括建筑设施基础,运行,功能及综合数据。建筑设施三大领域数据是管理精细化,资源优化和资源增值化的重要基础。综合数据是建筑设施的外部环境数据,是数字化的重要补充。

      在业务数据库基础上,构建建筑行业数字产业联盟,即建筑设施资源、运行维护和经营服务产业联盟。通过建筑设施数据中台把服务产品化,提供给城市建筑设施云中心物理产业链,提升它们的产业发展品质。

      3.3.2城市建筑设施数据平台技术实现

      本平台通过数据库、大数据、数据中心、数据仓库技术ETL、模型和人工智能技术,利用建筑设施全域模型和ETL技术,构建建筑设施业务数据库、建筑设施数据中台和数据管控中心。数据平台技术实现如图7所示。

    首先,平台通过ETL技术把建筑设施数据采集到平台,其次,根据建筑设施全域模型把数据分别存储到不同的建筑设施业务数据库。这些数据库包含了建筑设施全生命周期中的行为数据以及管理运营的过程数据。建筑基础、运行和运营数据将构成建筑行业三大产业链的.重要基础,为产业链服务奠定大数据基础。

    在业务数据基础上,我们构建了数据中台。它由能力中台(数据产品中台)和能力服务中台(模型、算法、仿真软件、机器学习等)两部分组成。通过数据中台,为前台建筑行业提供标准化、规范化的数据产品。

    数据管控中心通过综合调度、中台调度和业务数据调度管理实现底层数据采集、存储和中台数据产品的发布。综合调度管理模块调用业务数据调度管理模块,更新建筑设施业务数据库。综合调度管理模块调用中台调度管理模块,制作数据产品,并把产品发布到云中心产品目录中。综合调度管理模块调用业务数据调度管理模块可以直接访问建筑设施业务数据库,为前端提供更加丰富的数据服务。.

    3.4城市建筑设施互联平台

    3.4.1城市建筑设施互联平台组成

    互联平台是云网平台的强大的物质基础,是物理城市建筑和数字孪生世界的镜像转换器。它通过物联网、5G和其他通信技术,把城市建筑设施快速接入到云网平台。实时监控连入城市建筑设施的总体运行状态,整合海量城市建筑设施数据,优化本地建筑设施的高质量运营。同时,上传建筑设施总体情况数据,使得本地资源融入城市建筑设施资源,获取云网平台的智慧赋能,使得建筑设施资源得到充分的优化和配置。城市建筑设施互联平台功能模块如图8所示。

    互联平台主要由建筑设施连接、全域模型、台账和互联监控管理等功能模块组成。建筑设施链接管理模块在本平台与感知系统之间选择通信网络,配置传输协议和数据采集策略。全域模型管理模块从数据中台模型库中下载数据模板,构建建筑设施全域模型,对连入本平.台的建筑设施提供数据模板;台账管理模块将给连接到本平台的建筑设施建立云档案(数字化),并根据选定的模板建立建筑文施台账;台账包含了建筑设施生命周期中的主要数据,如规划设计图、建工BIM数据、监测、性能、云行和经营数据等;互联监控管理模块根据对本地或本区域的城市建筑设施进行管控要求,构建城市建筑设施资源体系。

    3.4.2城市建筑设施互联平台技术

    实现互联平台采用设施资产管理、物联网、数据交换和数据整合技术,全市建筑设施张网。互联平台技术实现如图9所示。

    平台采用设施资产管理理念和模板技术,构建筑设施的管理系统。互联平台从数据平台下载建筑设施全域模型,确定采集数据的类型和范围,并把模板下发给建筑设施运控系统。数据采集管理模块采用物联网接入和数据交换模块,根据策略把数据采集到互联平台。互联平台ETL模块,根据模板对数据进行格式转换和校验存储到建筑设施数据库和分布式文件系统,文件系统主要存储图片、视频和文件。ETL模块根据城市建筑设施数据平台领域数据建设要求,抽取数据,向.上加载到领域数据库中。

    3.5城市建筑设施入网系统

    3.5.1城市建筑设施入网系统组成

    入网系统是一个标准化的建筑设施上网的边缘控制器,它提供三个标准模块和一个扩展模块。任何建筑设施利用系统提供的模块,被赋予全网唯- -的编号,与建筑设施的IoTIBMS、机电设备或ERP系统配置,即可实现建筑设施的上云。在配置中,用户既可以在本地建立电子档案,为建筑设施本地运营服务,也可以在互联平台上建立建筑设施电子档案,参与区域建筑设施资源整合应用。入网系统功能模块如图10所示。

    入网系统主要由建筑设施基础、运行、经营数据采集和配置管理几个模块组成。基础数据采集模块采集建筑设施本体物理属性及其变化情况,如建筑结构、建筑材料、沉降、倾斜、修缮、重大改造、监测和评价等数据:运行数据采集模块采集能耗、水耗、消防、安防、环境、停车位等建筑设施运行的运行参数和状态数据:经营数据采集模块采集入驻建筑设施的企业经营产品、经营情况、产业合作计划等数据,为入驻企业提供更加适合其发展空间的资源和政策扶持;配置管理模块提供了上连云端,下连建筑设施的连接、配置、管理和监控等功能。同时,可以利用模板,生成各种定制模型,扩展数据采集范围。

    3.5.2城市建筑设施入网系统技术实现

    入网系统采用物联网、5G通信和EAM技术,连接建筑设施智能化系统,实时采集建筑设施的本体及环控运行和功能服务情况。该系统既可以提供建筑设施自治能力,独立管控建筑设施,也可以与云端联动参与城市区域治理。

    4建筑设施数字化保障体系

    城市建筑设施数字化是--个长期复杂的系统工程。需要国家政策、法律法规、技术规范、制度和组织保障等多方面的共同努力。同时,必须进行大量的社会实践才能实现这一功在当代利在千秋的伟大工程。建筑设施数字化保障体系如图11所示。

    4.1政策保障体系

    城市建筑设施涉及领域广,技术种类多且集成要求高,因此,需要强有力的政策保障体系的支持。通过政策和制度来规范和约束建筑行业发展,加速其数字化发展进程。

    我国建筑设施数字化方面的政策和制度必须从两个方面进行。首先建议国家以建筑设施数字化和上云为抓手,围绕建筑设施生命周期,编制和制订建筑设施数据管控管理办法、技术规范和系统建设要求,为将来的建筑设施安全评估、健康检查、修缮加固及城市建筑设施资源集约化配置利用奠定基础。其次在城市建筑设施的优化配置利用方面,建议制订公共或自筹资金投资建设建筑设施的上云、统筹管理和整合应用办法。建议制订公共或自筹资金投资建设建筑设施临时征用的政策、制度和管理办法等。在这些政策和制度保障下,使城市建筑设施数字化,城市建筑设施资源运行状态全局化、透明化,让城市每个建筑设施资源发挥其最大社会经济价值。

    4.2法律法规体系建设

    建筑设施数据资产权益一直 是困扰数据采集、共享和应用的难题。当前在数据产权归属问题远未达成共识的前提下,建议国家制订相应法律法规。在建筑设施基础数据方面,规划、设计、竣工、改变建筑结构和性能的修缮加固、欧测、评估等强制上云,数据资产归属国家;

    在建筑设施运行数据方面,消防、电梯、能耗、水耗等数据强制上云,数据资产归属生产机构,国家具有采集和使用权:在建筑设施经营数据方面,企业或个人数据自愿上云,数据产权属于企业和个人,国家在企业和个人授权下,使用这些数据服务企业和个人。

    通过以上领域的实践探索,逐渐建立起保障建筑设施长期发展的法律法规体系,为建筑设施持续健康发展保驾护航。

    4.3技术规范体系建设

    城市建筑设施数字化涉及CADGISBIM CIM等技术,它们的数据格式、存储及应用方式

    存在巨大的差异,因此,在建筑设施数字化和集成应用方面亟待出台相关技术要求和规范,以加速城市建筑设施数字化和信息化。建议国家在建筑设施数字化和上云建设方面形成技术规范体系,促进建筑设施的数字化和平台化,使得数字化和上云工作更加科学、规范和高效。在数字化方面,依托BIM模型的建立,进一步研究和完善建筑设施模型规范体系:在上云方面,加大云网平台技术和建设工作,大力推进城市建筑设施上云,实现集中管控建筑设施运行状态及使用情况。

    4.4组织保障体系建设

    基于城市建筑设施具有强烈的公共性、公益性、开放性和特定的专属性特点,在数字化和管理组织建设中,必须有以政府主导、投资方为主体和公众参与的城市建筑设施数字化组织保障体系。城市建筑设施组织保障体系必须建立高效的管理组织、工作制度和管理办法。在组织建设上,以政府业务管理机构为责任主体,由政府其他部门、企业和公众参与的共建、共享和协作共赢的联合体,共同完成数字化工作。在整个组织中,政府负责政策制订和管理监督。企业负责落实数字化和上云工作。公众积极参与筹谋划策,为城市建筑设施高效利用提供决策支持。

    4.5城市建筑设施治理方案

    建筑设施数字化、上云和平台化是城市建筑设施管理运营的一次重大变革,将对城市未来发展产生深远的影响。在数字化治理中,通过政府采取分类、分批、分级上云原则。建议通过三步上云工程,第一步:城市公共服务设施上云工程。城市公共服务设施多数是由政府投资建设,因此,该设施上云具有良好的基础条件并能极大地丰富城市公共服务能力。第二步:城市基础设施上云工程。城市基础设施数字化程度高,多数城市基础设施已上了企业私有云,为城市建筑设施上云奠定了良好的基础。第三步:城市社区和其他建筑设施上云工程。城市社区数字化和上云工程是一个复杂的工程,因此,在数字化和上云中采用分类分级上云,特别是对危房和超年龄建筑强制数字化和上云,以便跟踪管理建筑设施的安全性和健康状态,保障人民群众利益。

    5总结及展望

    本文通过引入城市建筑设施全域模型和城市建筑设施云网体系概念,构建了具有数字化、云化和平台化能力的城市建筑设施治理利器一 城市建筑设施云网平台。,该平台能够将城市建筑设施联网到城市建筑设施资源体系中,不仅辅助建筑设施自治和智能化,而且给城市连入平台的所有建筑设施赋能和相互信息共享,形成相互协同的城市智能建筑设施资源体系,承载城市可持续发展。

    本文是笔者从事多年智慧城市、智能楼宇和城市开发领域研究和实践的工作成果,有些工作已在部分城市建筑设施数字化和云化中得到应用,取得了积极的成效。下一步,我们将进一步研究建筑设施全域模型的规范化、云网平台的反向赋能以及数据资产权益方面的问题,为高质量建设城市建筑设施提供智力支撑。

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