基于数字孪生的新型智慧建筑系统集成参考模型，打破纵向数据孤岛

针对目前智能建筑系统集成领域存在的问题和难点，提出了一种基于数字孪生的智能建筑系统集成新方法。给出了数字孪生系统的机制描述，完成了数字孪生系统的构建。提出了数字孪生构建系统集成参考模型，摆脱了强耦合分布式系统的束缚，形成了以数字孪生系统为核心的并行网络结构。给出了数字孪生楼宇集成系统的架构图，提出了楼宇数字孪生交互系统的概念，作为智能楼宇数字孪生系统的中心。提出融合数字孪生的城市建设思路 构建系统数字孪生。认为数字孪生模式下的城市信息模型CIM应该基于数字孪生的理论和技术建立，

应采用基于模型的复杂系统工程思维。数字孪生建筑物可以通过系统集成生成CIM的建立，这也是CIM建设的一条可行路径。

1 智能建筑集成系统问题分析

传统的智能楼宇集成系统存在以下问题：

（1）信息平台多样化。

（2）缺少智能计算模型。

(3）缺乏有效的架构大数据和参数集来支持智能计算。

（4）缺乏支持架构本体抽象的架构知识。

（5）缺乏对架构知识之间关系的描述。

（6）建筑知识图谱还没建好。

(7）系统集成前缺乏仿真分析。

（8）BIM 和楼宇互联网之间缺乏有效的整合。

(9）系统运行过程缺乏可视化监控。

(10）动态和静态数据缺乏有机结合。

(11）缺乏多层次多类型模型表示。

(12）缺乏大规模的全局深度集成方法。

针对以上问题，提出了一种新的基于数字孪生的智能建筑系统集成参考模型。基于数字孪生的新型智能楼宇系统集成参考模型扩展了传统楼宇智能集成系统模型，融合了更多类型的数字技术、智能模型和商业模式数字孪生开发 ，实现多层次管控。以多粒度数字孪生系统为纽带，打通以智能楼宇综合管理系统（SBMS）为核心的数字孪生楼宇集成系统主要信息流，打破横向和垂直数据孤岛。基于该参考模型，一个开放性强、扩展性强的新型智能楼宇集成系统，标准化和模块化可以以数字孪生为纽带进行开发。新型智能楼宇集成系统摆脱强耦合分布式系统的束缚，形成以数字孪生系统为核心的并行网络结构。

2数字孪生机制描述及系统构建

数字孪生的主要理论渊源和基础是：系统工程与系统建模与仿真理论、现代控制理论、模式识别理论、计算机图形学、数据科学。从系统工程的角度来看，数字孪生系统的构建是典型的系统工程，涉及目标实现、需求分析、技术开发、理论研究和场景应用。数字孪生系统的构建和发展奠定了数字孪生系统理论的基石。数字孪生系统的构建和开发方法如下： 以数字孪生系统需求为导向，设计数字孪生系统软件架构，开发数字孪生系统软硬件平台和技术，开发数字孪生系统软硬件平台和技术。在空间和物理场景中同时进行测试和验证。将物理测量信息反馈给虚拟仿真系统，实时或在事件驱动的不规则性下对仿真系统和物理系统进行比较匹配，得到两者之间的误差，然后利用误差作为虚拟系统控制算法的输入，通过自动控制策略实现误差的迭代减小，直到衰减为零。整个数字孪生信息物理系统的运行是一个动态平衡和自主优化的过程。数字孪生系统的机制描述（数字孪生系统构建）如图1所示。系统软硬件平台和技术。在空间和物理场景中同时进行测试和验证。将物理测量信息反馈给虚拟仿真系统数字孪生平台，实时或在事件驱动的不规则性下对仿真系统和物理系统进行比较匹配，得到两者之间的误差，然后利用误差作为虚拟系统控制算法的输入，通过自动控制策略实现误差的迭代减小，直到衰减为零。整个数字孪生信息物理系统的运行是一个动态平衡和自主优化的过程。数字孪生系统的机制描述（数字孪生系统构建）如图1所示。系统软硬件平台和技术。在空间和物理场景中同时进行测试和验证。将物理测量信息反馈给虚拟仿真系统，实时或在事件驱动的不规则性下对仿真系统和物理系统进行比较匹配，得到两者之间的误差，然后利用误差作为虚拟系统控制算法的输入，通过自动控制策略实现误差的迭代减小，直到衰减为零。整个数字孪生信息物理系统的运行是一个动态平衡和自主优化的过程。数字孪生系统的机制描述（数字孪生系统构建）如图1所示。在空间和物理场景中同时进行测试和验证。将物理测量信息反馈给虚拟仿真系统，实时或在事件驱动的不规则性下对仿真系统和物理系统进行比较匹配，得到两者之间的误差，然后利用误差作为虚拟系统控制算法的输入仓储数字孪生系统，通过自动控制策略实现误差的迭代减小，直到衰减为零。整个数字孪生信息物理系统的运行是一个动态平衡和自主优化的过程。数字孪生系统的机制描述（数字孪生系统构建）如图1所示。在空间和物理场景中同时进行测试和验证。将物理测量信息反馈给虚拟仿真系统，实时或在事件驱动的不规则性下对仿真系统和物理系统进行比较匹配，得到两者之间的误差，然后利用误差作为虚拟系统控制算法的输入，通过自动控制策略实现误差的迭代减小，直到衰减为零。整个数字孪生信息物理系统的运行是一个动态平衡和自主优化的过程。数字孪生系统的机制描述（数字孪生系统构建）如图1所示。并对仿真系统和物理系统进行实时或事件驱动的不规则性比较匹配，得到两者之间的误差，然后将该误差作为虚拟系统控制算法的输入，通过自动控制策略实现迭代减少误差，直到衰减为零。整个数字孪生信息物理系统的运行是一个动态平衡和自主优化的过程。数字孪生系统的机制描述（数字孪生系统构建）如图1所示。并对仿真系统和物理系统进行实时或事件驱动的不规则性比较匹配，得到两者之间的误差，然后将该误差作为虚拟系统控制算法的输入，通过自动控制策略实现迭代减少误差，直到衰减为零。整个数字孪生信息物理系统的运行是一个动态平衡和自主优化的过程。数字孪生系统的机制描述（数字孪生系统构建）如图1所示。通过自动控制策略实现误差的迭代减少，直到衰减为零。整个数字孪生信息物理系统的运行是一个动态平衡和自主优化的过程。数字孪生系统的机制描述（数字孪生系统构建）如图1所示。通过自动控制策略实现误差的迭代减少，直到衰减为零。整个数字孪生信息物理系统的运行是一个动态平衡和自主优化的过程。数字孪生系统的机制描述（数字孪生系统构建）如图1所示。

图1数字孪生系统机制说明

3数字孪生构建集成系统模型

基于数字孪生的新型智能楼宇系统集成参考模型，即数字孪生楼宇系统集成参考模型，如图2所示。

图2数字孪生构建系统集成参考模型

参考模型包含五个层次：单元级、单系统级、集成系统级、企业级和商业级。数字孪生 可以在每个层次结构中使用，从而在多个粒度上启用 数字孪生。

智能控制、人工智能、BIM、GIS、大数据、区块链、系统仿真、AR/VR等新一代信息技术的综合应用。高度集成、技术先进的数字孪生建筑系统赋能传统建筑改造和传统建筑行业转型升级，全面提升建筑行业智能化水平。数字孪生构建系统包括四个基本模型系列：物理模型、逻辑模型、组件模型和数据模型。这些模型形成了以物理模型为核心的多模型系统。图3显示了基于多个模型的数字孪生建筑的构造概念模型以及从数字孪生衍生的数字孪生构造

图3 数字孪生架构的概念模型和基于多个模型的数字孪生构造

基于数字孪生的智能楼宇系统集成架构如图4所示。

图 4数字孪生构建集成系统架构

基于数字孪生的智能楼宇集成系统具有以下功能：将物理楼宇中的物理模型和业务模型转换为虚拟楼宇的信息模型，在两者之间建立低延迟、高保真的虚拟楼宇。虚拟建筑和实体建筑。镜子。利用基于数字孪生的智能模拟计算技术，模拟建筑构件从需求到产品加工制造、到施工应用、再到项目交付的全过程，形成优化的模拟结果，指导规划、施工和实体建筑的发展。手术。来自物理建筑的实时数据和事件信息为虚拟建筑模型提供反馈修正。通过 数字孪生

基于数字孪生的智能楼宇系统集成的特点主要体现在以下三个方面。

1）构建物理双胞胎的知识高度集成。楼宇物理孪生中的智能传感器负责采集参数，因此数字孪生楼宇系统可以不断地从仪表、PLC、DDC、管理系统和互联网获取数据，以保证数据的持续更新。对数据进行处理，形成建筑的领域知识，包括建筑信息模型、业务流程、工艺流程、物流、商业物流等。知识通过数字孪生系统互联，生成建筑所需的各种配套参数。实时控制和决策。同时，参数根据模型和算法生成建筑系统的知识集和知识类型。

2）数字孪生交互系统作为物理厂房物理双胞胎与楼宇集成数字孪生之间的纽带。建筑数字孪生体实现智能工地施工及后期运维作业的自动控制和智能决策，通过< @数字孪生 身体。在施工和运行过程中，数字孪生体自动将最优控制指令传送到物理孪生体，并与现场控制系统协调指令的执行。同时，现场采集的数据通过数字孪生传输到虚拟建筑空间

3）以建筑数据湖为数字基础，实现数据智能化。楼宇数据湖是一个大型仓库，存储了可以访问、处理、分析和传输的各种原始数据。数据湖是以自然格式存储的数据系统或存储库。数据湖可以包括来自关系数据库（行和列）的结构化数据、半结构化数据（CSV、日志、XML、JSON）、非结构化数据（电子邮件、文档、PDF）和二进制数据（图像、音频）、视频）。

4 基于数字孪生建筑物建造数字孪生城市

数字孪生城市建设前期，基于BIM技术、3D-GIS技术等，为城市构建城市三维信息模型CIM，赋予城市建筑数字化属性，地上和地下景观的数字 3D 模拟为政府提供与真实城市一致的虚拟城市环境。通过物联网、智能感知技术、智能控制技术、互联网+等技术，实时监测和控制建筑物和城市实体的运行状况。

随着数字孪生理论和技术的成熟，数字孪生建筑和数字孪生城市相关理论正在逐步建立，相关技术正在开发和验证中。建筑数字孪生体和城市数字孪生体可以为“全周期”闭环管理的城市智慧治理提供保障。基于建筑物和城市数字孪生体的智能治理决策指令可以对城市的物理空间做出反应。典型应用有：城市灾害监测与预防，应急管理预案可通过city数字孪生体进行。进行预演和综合模拟验证，实现各类应急资源的优化整合和合理调度。

数字孪生系统集成方法具有集成的特点。基于数字孪生理论和方法发展智能建筑系统集成，可能成为未来智能建筑系统集成理论和工程实践的主导模式。从数据和模型的角度，建筑数字孪生体为基于复杂系统控制和决策理论的信息模型构建提供了高度科学实用的解决方案。基于数字孪生建筑与建筑信息模型，构建从模型到系统到系统的微观和宏观集成的智能建筑系统集成模型仓储数字孪生系统，真正实现基于模型的建筑系统工程。数字孪生 建筑无处不在的互联可以构建现代建筑工业化体系，进而构建基于信息物理系统的数字孪生城市。在此基础上，可以构建数字孪生城市模型下的城市信息模型（City Modeling，CIM）。

城市信息模型以数字孪生为理论基础，城市数据为信息基础，以城市空间地理信息模型、BIM模型、城市智能计算系统模型等多种模型为核心，数据作为线索。数字孪生 body 服务于城市场景应用。建立城市信息模型的目的是让城市信息更加科学、严谨、表达清晰，为城市建设和治理提供数字引擎。城市信息模型试图从城市建模的角度为城市提供更科学、更严谨的表达方式。它以“信息”为主线贯穿城市空间仓储数字孪生系统，使物理上分散的城市在信息空间中实现逻辑整合，从而更好地优化城市、管理城市、治理城市。CIM应建立在数字孪生理论和技术的基础上，采用基于模型的复杂系统工程思维。数字孪生建筑物可以通过系统集成生成CIM的建立，这也是CIM建设的一条可行路径。

5个创新点

基于数字孪生的智能建筑集成系统的创新点如下： 1） 大数据驱动的3D虚拟建筑场景呈现。2）建筑系统数据的整个工程生命周期是相互连接的。3）故障异常的实时监控和预测性维护。4）智能指挥决策，统一协调调度。

数字孪生系统集成方法具有集成的特点。基于数字孪生理论和方法发展智能建筑系统集成，可能成为未来智能建筑系统集成理论和工程实践的主导模式。从数据和模型的角度，建筑数字孪生体为基于复杂系统控制和决策理论的信息模型构建提供了高度科学实用的解决方案。基于数字孪生建筑与建筑信息模型仓储数字孪生系统，构建从模型到系统到系统的微观和宏观集成的智能建筑系统集成模型，真正实现基于模型的建筑系统工程。