摘要：针对当前智能建筑系统集成领域存在的问题和难点，提出基于数字孪生的智慧建筑系统集成新方法。给出了数字孪生系统的机理描述，完成数字孪生体系构建。提出了数字孪生建筑系统集成参考模型，摆脱了强耦合的分布式体系束缚，形成以数字孪生系统为核心的平行网状结构。给出了数字孪生建筑集成系统架构图，提出建筑数字孪生交互系统概念并作为智慧建筑数字孪生系统的中枢。提出由数字孪生建筑系统集成构建数字孪生城市的思路。认为数字孪生模式下的城市信息模型CIM应依托数字孪生理论和技术建立，
宜采用基于模型的复杂系统工程思维。CIM的建立可由数字孪生建筑通过系统集成产生，这也是CIM构建的一条可行路径。
关键词：数字孪生建筑，智慧建筑系统集成，建筑数字孪生交互系统，数字孪生城市，CIM1 智能建筑集成系统问题分析
传统智能建筑集成系统存在如下问题：
（1）信息化平台多样化。
（2）缺少智能计算模型。
（3）缺乏支撑智能计算的有效建筑大数据和参数集。
（4）缺乏支撑从建筑本体抽象出来的建筑知识。
（5）缺乏建筑知识之间的关系描述。
（6）尚未构建建筑知识图谱。
（7）系统集成前缺乏仿真分析。
（8）建筑信息模型与建筑物联网间缺乏有效融合。
（9）系统运行过程缺乏可视化监控。
（10）动静态数据缺乏有机融合。
（11）缺乏多层级多类型模型表示。
（12）缺乏大范围全局性深度集成方法。
针对以上问题，提出基于数字孪生的新型智慧建筑系统集成参考模型。基于数字孪生的新型智慧建筑系统集成参考模型扩展了传统建筑智能化集成系统模型，综合更多类型数字技术、智能模型、业务模型，实现多层级管理与控制。以多粒度数字孪生系统为纽带，打通以智慧建筑集成管理系统（SBMS）为核心的数字孪生建筑集成系统主信息流，打破横向、纵向数据孤岛。基于此参考模型，可开发以数字孪生为纽带，开放性强、可扩展性强、标准化、模块化新型智能建筑集成系统。新型智能建筑集成系统摆脱了强耦合的分布式体系束缚，形成以数字孪生系统为核心的平行网状结构。
2 数字孪生机理描述暨体系构建数字孪生的主要理论渊源和基础是：系统工程及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。从系统工程的视角来看，数字孪生系统的构建是一项典型的系统工程，涉及到目标确立、需求分析、技术开发、理论研究、场景应用等实现环节。数字孪生系统的构建与开发奠定了数字孪生系统论的基石。数字孪生系统的构建与开发方法描述如下：以数字孪生系统需求为导向，设计数字孪生系统软件架构，研发数字孪生系统软硬件平台与技术，在数字空间和物理场景中进行同步测试与验证。物理实测信息反馈到虚拟仿真系统，仿真系统与物理系统进行实时或事件驱动下的不定时比对与匹配，得到二者误差，再以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削减，直至衰减为零。整个数字孪生信息物理系统的运行是一个动态平衡与自主优化的过程。数字孪生系统的机理描述（数字孪生体系构建）如图1所示。
图1 数字孪生系统机理描述
3 数字孪生建筑集成系统模型基于数字孪生的新型智慧建筑系统集成参考模型，即数字孪生建筑系统集成参考模型如图2所示。
图2 数字孪生建筑系统集成参考模型
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、商业级。每个层级内部均可采用数字孪生，从而实现多个颗粒度上的数字孪生。
综合应用智能控制、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，建立符合未来建筑系统集成需求的功能全面、集成度高、技术先进的数字孪生建筑系统，赋能传统建筑改造及传统建筑产业转型升级，全面提升建筑产业的智能化水平。数字孪生建筑系统包括四大基础模型系列：物理模型，逻辑模型，构件模型，数据模型。这些模型组成以物理模型为核心的多模型体系。基于多模型的数字孪生建筑，以及基于数字孪生建筑衍生的数字孪生建造概念模型如图3所示。
图3 基于多模型的数字孪生建筑与数字孪生建造概念模型
基于数字孪生的智慧建筑系统集成架构如图4所示。
图4 数字孪生建筑集成系统架构
基于数字孪生的智能建筑集成系统具有以下功能：将物理建筑中的实体模型及业务模型转化为虚拟建筑的信息模型，并建立虚拟建筑与物理建筑之间低延时、高保真的虚拟镜像。利用基于数字孪生的智能仿真计算技术，仿真模拟建筑构件从需求到产品加工制造，到施工应用，再到工程交付的全过程，形成优化的仿真结果，指导物理建筑的规划、建设及运营。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。通过数字孪生可视化建模工具，开发立体可视化人机交互界面，方便管理和技术人员直观了解建筑工程全生命周期。
基于数字孪生的智慧建筑系统集成特征主要体现在以下三方面。
1）建筑物理孪生体的知识高度集成。建筑物理孪生体中的智能传感器负责采集参数，因此数字孪生建筑系统可不断从仪器仪表、PLC、DDC、管理系统及互联网获取数据，确保数据的持续更新。数据经过加工处理后形成建筑物的领域知识，包括建筑信息模型、业务流、工艺流、物料流、商物流等。知识通过数字孪生系统实现互联互通，生成实时管控和决策所需的各项支撑性参数，同时参数基于模型和算法生成数字孪生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工厂建筑物理孪生体与建筑数字孪生体集成的纽带。建筑数字孪生体实现智能建筑现场施工及后期运维作业的自动控制与智能决策，建筑的所有事件通过数字孪生体在虚拟建筑空间进行仿真建模与分析。在施工和运行过程中，数字孪生体自动向物理孪生体传送最优控制指令，并协调现场控制系统执行指令，同时现场采集数据通过数字孪生体传入虚拟建筑空间进行模型和参数的修正,从而形成智能建筑集成系统的闭环管控。
3）以建筑数据湖为数字基座实现数据智能。建筑数据湖是一个存储各种各样原始数据的大型仓库，其中的数据可供存取、处理、分析及传输。数据湖是以其自然格式存储的数据的系统或存储库。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 基于数字孪生建筑构建数字孪生城市在数字孪生城市建设初期，基于BIM技术、3D-GIS技术等为城市构建城市三维信息模型CIM，为城市各建筑或结构物、自然资源等赋予数字化属性，从而对城市的真实地形、地上地下景观进行数字化三维模拟，给政府提供一个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+等技术对建筑和城市实体运行状况进行实时监测与管控。
随着数字孪生理论和技术的成熟，数字孪生建筑、数字孪生城市相关理论正在逐步建立，相关技术正在开发验证中。建筑数字孪生体和城市数字孪生体可为“全周期”闭环管理的城市智慧治理提供保障。依据建筑和城市数字孪生体做出的智慧治理决策指令，能够反作用于城市物理空间，典型的应用是：城市灾害监测与防控，应急管理预案可通过城市数字孪生体进行预先演练和综合模拟验证，实现对各类应急资源的优化整合与合理调度。
数字孪生系统集成法具有集大成的特点，基于数字孪生理论和方法发展智慧建筑系统集成，有可能在未来成为智慧建筑系统集成理论与工程实践的主导模式。建筑数字孪生体从数据和模型的角度，依据复杂系统控制与决策理论为建筑信息模型提供了科学性和落地性都极强的解决方案。基于数字孪生建筑和建筑信息模型，可构建出由模型到系统再到体系的微观与宏观一体化的智慧建筑系统集成模式，真正实现基于模型的建筑系统工程。数字孪生建筑的泛在互联可构建出现代建筑工业化体系，进而构建出基于信息物理系统的数字孪生城市。在此基础上，可构建数字孪生城市模式下的城市信息模型（City Information Modeling，CIM）。
城市信息模型是以数字孪生为理论基础，以城市数据为信息基础，以城市空间地理信息模型、BIM模型及城市智能计算系统模型等多模型为核心，以数据为线索，建立起的服务于城市场景应用的数字孪生体。建立城市信息模型的目的是使城市信息得到更加科学、严谨、统一、明确的表达，为城市建设与治理提供数字引擎。城市信息模型试图从城市建模的角度为城市提供更加科学严谨的表达，以“信息”为主线贯穿城市空间，使物理分散的城市在信息空间中实现逻辑集成，因此能够更好地优化城市、管理城市、治理城市。CIM应依托数字孪生理论和技术建立，宜采用基于模型的复杂系统工程思维。CIM的建立可由数字孪生建筑通过系统集成产生，这也是CIM构建的一条可行路径。
5 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）大数据驱动的三维虚拟建筑场景呈现。2）建筑系统数据的工程全生命周期贯通。3）故障异常的实时监测与预测性维护。4）智能指挥决策与统一协同调度。
数字孪生系统集成法具有集大成的特点，基于数字孪生理论和方法发展智慧建筑系统集成，有可能在未来成为智慧建筑系统集成理论与工程实践的主导模式。建筑数字孪生体从数据和模型的角度，依据复杂系统控制与决策理论为建筑信息模型提供了科学性和落地性都极强的解决方案。基于数字孪生建筑和建筑信息模型，可构建出由模型到系统再到体系的微观与宏观一体化的智慧建筑系统集成模式，真正实现基于模型的建筑系统工程。
作者简介：
杜明芳，工学博士（控制科学与工程专业），副教授（电子、通信及自动控制系列），清华大学信息国家研究中心研究员。住建部信标委委员，IEC SEG9国内专家组专家，中国BIM标委会理事，中国自动化学会、中国人工智能学会、中国卫星导航定位协会大数据专业委员会、中国通信工业协会、中国投资协会城镇化专委会专家委员。北京理工大学复杂系统智能控制与决策国家重点实验室博士毕业，控制科学与工程专业（机器人与人工智能方向）博士。控制理论与控制工程专业工学硕士。工业自动化专业本科。北京市高等教育系统中青年骨干教师，北京市模式识别与智能系统人才团队骨干成员。曾从事自动化、建筑电气与智能化、轨道交通本科专业一线教学近10年，获北京市教育教学成果二等奖、校级教学成果一等奖。博士课题期间参研国内首辆纯电动无人驾驶汽车。以第一作者发表学术论文近200篇，其中SCI/EI/ISTP检索40余篇。主持或主要参与国家级、省部级科研项目20余项，参与制定雄安新区智能城市基础设施建设标准，主笔完成国家发改委战略咨询课题《人工智能对产业发展的影响及我国政策选择研究》。代表性专著有：《智能建筑系统集成》（“十一五”规划本科教材）、《智慧建筑：智能+时代建筑业转型发展之路》（“十三五”国家重点出版物出版规划项目，2020年4月）、《无人驾驶汽车技术》（人民交通出版社，2019年9月） 、《AI+新型智慧城市理论、技术及实践》（中国建筑工业出版社培训教程， 2020年1月）、《现代控制技术 组件与系统》（美国经典教材，翻译）。工作和研究领域涵盖：智慧城市（侧重于智慧建筑、智慧交通、智慧能源、顶层规划设计、城市大数据、城市区块链）、智能控制、图像模式识别、机器人、无人车及车联网、工业自动化、5G、卫星导航及智能组合导航、产业规划、数字经济。
