【摘要】基于BIM实现数字孪生交互，将整体建筑的BIM模型与智能化运维平台相结合，通过BIM将工程设计和建造信息无损传递到设施维护运营，BIM模型及各个设备编码可以存储在服务器及客户端上，以不同颗粒度的轻量化模型满足不同使用需求及操作需求，帮助管理人员快速了解各设备的使用情况，提高运维管理效率。透过BIM模型对设施物的精细化资讯表达，让管理者清楚知道整体建筑设施运作状态。
【关键词】数字孪生；智能建筑；BIM；运维管理；信息融合
中图分类号：TP393 文献标识码：A
文章编号：2097-2253（2023）06-0020-05
1 概述
目前，国内伴随着智能化建筑的热潮，传统运维管理的方向与内容也在不断调整，建筑物业运维管理作为综合利用多种学科专业，包含了管理学、建筑科学、经济学工程技术和行为科学的一门新兴科学，在运维管理过程中，信息技术在设施管理中的应用将通过人员、空间、过程和技术的集成来确保建成的建筑环境功能的实现。
同时，随着我国智能建筑市场空间的增长，智能建筑全生命周期的维护管理机制越来越被重视，智能化运维软件在日常运维的过程中也占据越来越重要的地位。基于数字孪生技术，具备信息集约化和可视化技术的建筑运维管理系统，可以对建筑运维管理系统的规范化发展提供可靠的导向，在日常远维管理、建筑空间管理、安全运行管理、能源管控、资产资源管理等方面为整体建筑和设施的运维管理提高效率。
2 数字孪生模型在智能运维中的作用
数字挛生（即数字克隆）：是基于物理实体的系统描述，可以实现对跨越整个系统生命周期可信来源的数据、模型和信息进行创建、管理和应用。它的五维结构能与物联网、大数据、人工智能等新信息技木集成与融合,满足信息物理系统集成、信息物理数据融合、虚实双向连接与交互等需求。
则通过基于BIM的数字挛生模型的3D可视化展示，现场运维可以对建筑中各项隐蔽管线、机电设备、风道、桥架、建筑布局一目了然。结合各项数字标注的设备模型，相关信息直观、准确，加上各类动态信息、人流、车流、设备运行参数又以动画方式演绎来，从而可以实现对现场运维的实时动态优化与调整。
2.1数字孪生模型在建筑运维中的作用
在数字孪生建筑中，建筑实体空间可观察各类痕迹，建筑虚拟空间可搜索各类信息。数字孪生建筑针对物理建筑建立相对应的虚拟模型，并以软件的方式模拟建筑人、事、物在真实环境下的行为，通过云端和边缘计算，既可以软性指引运维的调度策略，又可以对于运维人员的日常操作进行指导，以智能视角干预建筑运维的运行。
2.2数宇孪生模型在机电设备运维中的作用
在数字孪生模型建立后 应用基于机电设备的三维跟踪注册技术，通过对人工标志物和自然场景跟踪注册的优缺点，结合机电设备维护环境等特点，选择出基于人工标志物的跟踪注册方法；同时，采用标志物进行基于机电设备维护的交互设计，增强现实技术的虚实显示功能，加之BIM技术强大的信息功能、可视化功能，可以完全实现机电设备运营维护管理的各项任务。例如对于暖通系统，可以详细记录精密空调的物理位置、运行状态、业务部门、管理部门、维保状态、加热加湿量、设备功率、制冷总量等信息。基于BIM的微模块及配电柜模型如图1所示。
2.3数字孪生模型在智能化设备运维中的作用
数字孪生模型内的智能化设备可以显示设备物理地址，物理坐标位置、使用状态、设备型号、端口状态、功率信息、设备网络地址，实现设备上下架的模拟操作，统计机房空间及机柜空间的冗余信息。基于数字孪生的智能化设备运维平台如图2所示。
3 基于BIM的数字孪生模型建立
基于BIM的数字孪生模型是将真实环境与虚拟对象进行虚实环境融合的系统。真实环境就是需运维设备所在的现实环境；通过现场采集摄像机及现场各类传感器，或现场人员录入进行采集；虚拟对象是以真实环境中的设备为原型建模生成；通过建模和后期的处理叠加到现实环境中一起呈现在操作者的视野之中。从BIM信息中提取包含空间位置信息和维护特征等信息的零件几何模型，并将几何模型转化为通用的数字孪生格式文件供系统使用，其他信息保存于系统数据库中。BIM模型与现实设备融合关系图如图3所示。
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3.1 数字孪生的建模需求
数字孪生关键技术可以概括为：“虚实结合，实时交互，动态交互，三维注册”四个方面。也是实现该应用的重难点所在：
（1）虚实融合。虚实结合能够实现从显示设备到真实环境的扩展，通过各种展示平台，操作者不仅仅看到现实的BIM模型，而是看到虚拟构件与现实环境融合的虚实结合空间。
（2）实时交互。实时交互指的是通过计算机输入和输出设备实现人与设备之间有效交流的方式。实时交互主要体现在用户与设备进行交互后，整个输出与输入是同步的、及时的。
（3）动态交互。需具备时间管理功能，动态展示过去、当前、未来建筑及设备运行状态。通过记录以往的数据及分析，可以推测未来能耗及设备运行状态的预测。在设备的属性信息列表中展示了机电设备的维修记录，维修结束时间、维修电话、保修期等部分维修信息，通过这些信息就可以快速确定该机电设备的运营现状，可以查看设备不同时间段的运行状态。
（4）三维注册。跟踪注册是数字孪生的关键技术之一，跟踪注册的目的是准确计算摄像机的姿态与位置,使得虚拟物体能够正确放置在真实场景中。所要完成的任务是实时计算摄像机与真实场景之间的相对位置关系，任意一点空间中的三维坐标与它在图像上二维坐标之间的对应关系如公式（1）所示。
其中，x，y，z表示三维空间中点p的世界坐标，u，v表示该点投影到图像平面的图像坐标。R、T分别表示摄像机相对于世界坐标系的旋转和平移矩阵。表示摄像机内部参数，一般称作摄像机内参矩阵。ZC是点p在摄像机坐标系的坐标的Z分量，即矢量R(xyz)T+T的第三个元素。三维注册的目的是计算得到R、T这两个矩阵（假设内参矩阵K已经事先通过标定得到)。目前已有多种技术可以实现基于BIM的数字孪生系统的三维注册，得到这两个重要的摄像机内外参矩阵。
同时依据三维注册的信息,也可以跟踪设备过去、当前、未来的运行状态，特别是在进行机柜资源管理时，可以进行动态的设备跟踪。因此，如何针对建筑物内各种设备的特点进行虚拟融合建模、基于现场的实际环境进行跟踪注册以及交互设计，都是影响数字孪生技术落地效果好坏的重点，也是难点。
3.2 数字孪生模型构件信息要求
运维人员将列项统计表统计后的信息添加到对应的构件的属性中，丰富了数据库的数据内容并为提取模型信息提供了极大的方便，最后能够支持运营需求。通过现场维护人员确定的展示信息更加有针对性,降低了信息的冗余程度。同时，可以添加或删除字段对信息列项进行增加或者修改,方便后期管理和维护。
{C}（1）{C}物理信息——模型的物理信息是数字孪生技术中对信息的更高一层次的需求，物理信息包括虚拟物体的质量、表面粗糙程度、弹性模量等信息，将这些信息附加在虚拟的模型上，使虚拟的模型更接近于实际的物体。
（2）行为信息模型的行为信息指在建立模型的时候，除了附加在模型上的表观的特征以外还要在模型上附加服从客观规律的行为信息。换句话来说就是使物体从静止变成运动状态。数字孪生的本质是对客观世界的折射与仿真，数字孪生的模型代表的是现实环境中的客观存在的物体。模型的构建信息与物理信息相结合，可以部分实现“看起来真实、动起来真实”。行为信息从描述物体的运动和行为方面来使虚拟对象变得更真实。如果说构件信息是虚拟现实建模的基础，行为信息则真正体现出数字孪生的特征。对于数字孪生用户来说,虚拟物体如果没有动作或者对外界的条件变化没有反应，则这个虚拟对象是没有生命力的，完全没有存在的价值。
（3）运动信息——在数字孪生所模拟的环境中，如果只是建立三维的静态的模型是不能满足要求的，物体的特性除了物理信息和行为信息以外还包括运动信息。运动信息包括虚拟物体的位置移动、关键点捕获、表面变形、大小缩放等。运动信息的处理是数字孪生的难点之一。为了实现虚拟对象的形状和位置的变化，给每个对象赋予一个随着物体位置的移动而改变对象的坐标系统。
（4）管理信息——不同的管理者对于管理信息有着不同的要求，管理者信息制定的框架采取定制策略来收集信息。即在框架中嵌入应用需求表，当管理人员对模型、功能信息有特别的需求，填写表格提交给设计方对模型进行相关操作，完善相关信息，然后按时进行反馈，以满足操作者的需求。
3.3 数字孪生模型构建的流程及深度要求
在运营和维护阶段的BIM模型包含的信息更加得广泛全面。BIM模型信息得到充分的利用是建立在BIM模型设计的内容和深度标准的制定的基础上，从而保证了BIM模型的完整性和规范性。模型精度等级由美国建筑师学会最先提出并制定的，依照精细和完善程度将模型分为5个等级，从LOD100到LOD500，5个等级对应着工程不同的开发阶段。后一个等级都是在前一等级上的提高。细致度标准主要用于分配建模任务及确定模型输出结果，本项目对应的应是LOD500模型。不同等级的BIM模型信息及用途如表1所示。
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4基于数宇孪生模型构件的智能化运维平台
智能运维平台基于数字孪生模型提供的实时更新数据，依据可视化决策系统，对设施设备进行全生命周期管理，以系统管理逐步替代人的管理，通过大数据累计和信息化管控手段，实现设备的预防性管理和日常监控。整体运维平台确保功能完整、过程可视、评价完善。
其功能模块包括:设备管理、作业管理、应急管理、工具管理、备件管理、人员管理、空间管理、知识管理、系统管理等。
运维平台的数据看板包括：实时监控看板、运维过程精细化看板、各系统数据可视化看板。如图5所示。
针对运维系统的评价，在运维平台中可以进行分析及报表导出：设施设备改善情况、运维体系组织KPI优化情况、人员效率提升情况、综合成本降低情况、能耗使用精准规划。
5结论与展望
总的来说，数字孪生技术是基于理论研究的架构设计，而建筑的实际运行维护是整合建筑内人员、设施及技术等关键资源,通过运营充分提高建筑的使用率,降本增效,并通过维护尽可能延长建筑的使用周期而进行的综合管理。
数字孪生在2002年的美国制造工程协会管理论坛上由Michael Grieves提出后，数字孪生被定义为是由物理实体、数字实体及两者之间的连接所组成的三维模型。2011年，Michael Grieves在《虚拟完美》一书中引用了“数字孪生”概念模型，该模型包含真实空间、虚拟空间以及数据交互这三个维度”。数字孪生开始被广泛地应用于机械制造业，结合BIM技术，数字孪生在建筑的实施及运维过程中也多有应用。
基于数字孪生技术的运维平台要求其在建设的时候严格定义数据规范，确保系统规划具体、清晰,特别是在使用三维注册技术将虚拟的BIM模型与真实世界“混合叠加”的过程中，要确保各类设备参数齐全，数据更新及时。
