針對當前智能建筑系統(tǒng)集成領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)的機理描述，完成數(shù)字孿生體系構建。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)狀結構。給出了數(shù)字孿生建筑集成系統(tǒng)架構圖，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)集成構建數(shù)字孿生城市的思路。認為數(shù)字孿生模式下的城市信息模型CIM應依托數(shù)字孿生理論和技術建立，
宜采用基于模型的復雜系統(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系描述。
（6）尚未構建建筑知識圖譜。
（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。基于數(shù)字孿生的新型智慧建筑系統(tǒng)集成參考模型擴展了傳統(tǒng)建筑智能化集成系統(tǒng)模型，綜合更多類型數(shù)字技術、智能模型、業(yè)務模型，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停砷_發(fā)以數(shù)字孿生為紐帶，開放性強、可擴展性強、標準化、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)狀結構。
2數(shù)字孿生機理描述暨體系構建
數(shù)字孿生的主要理論淵源和基礎是：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，計算機圖形學，數(shù)據(jù)科學。從系統(tǒng)工程的視角來看，數(shù)字孿生系統(tǒng)的構建是一項典型的系統(tǒng)工程，涉及到目標確立、需求分析、技術開發(fā)、理論研究、場景應用等實現(xiàn)環(huán)節(jié)。數(shù)字孿生系統(tǒng)的構建與開發(fā)奠定了數(shù)字孿生系統(tǒng)論的基石。數(shù)字孿生系統(tǒng)的構建與開發(fā)方法描述如下：以數(shù)字孿生系統(tǒng)需求為導向，設計數(shù)字孿生系統(tǒng)軟件架構，研發(fā)數(shù)字孿生系統(tǒng)軟硬件平臺與技術，在數(shù)字空間和物理場景中進行同步測試與驗證。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)進行實時或事件驅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)的機理描述（數(shù)字孿生體系構建）如圖1所示。
圖1數(shù)字孿生系統(tǒng)機理描述
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，建立符合未來建筑系統(tǒng)集成需求的功能全面、集成度高、技術先進的數(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)包括四大基礎模型系列：物理模型，邏輯模型，構件模型，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?；诙嗄Ｐ偷臄?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)集成架構如圖4所示。
圖4數(shù)字孿生建筑集成系統(tǒng)架構
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)務模型轉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，仿真模擬建筑構件從需求到產(chǎn)品加工制造，到施工應用，再到工程交付的全過程，形成優(yōu)化的仿真結果，指導物理建筑的規(guī)劃、建設及運營。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)立體可視化人機交互界面，方便管理和技術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責采集參數(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域知識，包括建筑信息模型、業(yè)務流、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)湖可以包括來自關系數(shù)據(jù)庫（行和列）的結構化數(shù)據(jù)，半結構化數(shù)據(jù)（CSV，日志，XML，JSON），非結構化數(shù)據(jù)（電子郵件，文檔，PDF）和二進制數(shù)據(jù)（圖像，音頻，視頻）。
4基于數(shù)字孿生建筑構建數(shù)字孿生城市
在數(shù)字孿生城市建設初期，基于BIM技術、3D-GIS技術等為城市構建城市三維信息模型CIM，為城市各建筑或結構物、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、智能控制技術、互聯(lián)網(wǎng)+等技術對建筑和城市實體運行狀況進行實時監(jiān)測與管控。
隨著數(shù)字孿生理論和技術的成熟，數(shù)字孿生建筑、數(shù)字孿生城市相關理論正在逐步建立，相關技術正在開發(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，典型的應用是：城市災害監(jiān)測與防控，應急管理預案可通過城市數(shù)字孿生體進行預先演練和綜合模擬驗證，實現(xiàn)對各類應急資源的優(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)復雜系統(tǒng)控制與決策理論為建筑信息模型提供了科學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)可構建出現(xiàn)代建筑工業(yè)化體系，進而構建出基于信息物理系統(tǒng)的數(shù)字孿生城市。在此基礎上，可構建數(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，以城市數(shù)據(jù)為信息基礎，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，建立起的服務于城市場景應用的數(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、嚴謹、統(tǒng)一、明確的表達，為城市建設與治理提供數(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嚴謹?shù)谋磉_，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應依托數(shù)字孿生理論和技術建立，宜采用基于模型的復雜系統(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)測與預測性維護。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)復雜系統(tǒng)控制與決策理論為建筑信息模型提供了科學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。
