2023优秀案例丨数字孪生智慧园区平台建设及应用

数字孪生智慧园区平台建设及应用

刘润东   罗  恒   雷江涛

广西壮族自治区自然资源遥感院

近年来，为推动我国智慧园区健康有序发展，国家各有关部门、各地方政府先后出台了一系列政策举措和战略部署，优化发展环境，支持园区智慧化升级改造。智慧园区作为“数字中国”建设的重要落脚点，是新基建的重要投资方向之一。当前，国内许多园区在已有信息基础设施的基础上优先加快新型基础设施建设，并将其列入整体战略规划。

原有传统产业园区在规划建设和运营发展中，没有信息化、集约化管理平台，没有实现统一高效的运营管理，面临着管理效率低、运营成本高、安防能力弱以及服务体验差等诸多痛点。智慧园区整合了园区的整体逻辑架构和统一平台管理，将物业服务及建筑、设施、设备、环境、安全、人员等全部纳入实时动态监控范围，对数据资源进行信息提取，对运行状态实时动态感知，对偏离正常范围的状态进行报警并采取有效措施，对有效数据进行整合管理，通过数字孪生体的技术赋能和数字化转型升级应用，可破解传统产业园区的发展难题，并实现新型智慧城市建设的产业园区智慧化应用，赋能园区产业发展，全面提升企业生产运营、园区运行管理和公共服务智能化水平，创建智能化示范产业园区，引领带动区域产业集聚区实现高质量发展。

1. 总体架构

数字孪生智慧园区平台总体架构由数据层、系统平台层、应用层三个部分组成，如图1所示。总体框架设计采用C/S架构，层级之间功能解耦，增加了系统的可拓展性。

（1）数据层

园区本身是典型的数据密集型环境，园区的运行涵盖环境监测、园区交通、公共服务、企业生产、公共安全等诸多方面。智慧园区的数据层是智慧园区体系架构中的核心，智慧园区数据层主要完成各异构子系统（数字孪生基础库、综合安防、人员通行、停车管理等）的数据集中建模管理和使用，向上提供数据服务、计算能力接口给智慧应用系统，以供智能运营中心、GIS、物联网等调用数据接口，使用相关数据。

（2）平台层

数字孪生智慧园区平台层提供接口服务、组件服务和开发服务：通过接口和组件服务支撑开发服务能力实现，同时为第三方应用开发提供能力支撑；通过开发服务提供开箱即用的服务能力，同时基于开发服务支撑在现有能力集的基础上按照“一园一策”的要求做应用定制开发。

（3）应用层

数字孪生智慧园区应用层实现了对智慧园区信息的收集、处理、分析和应用，包括园区管理、智慧安防、数字化办公等多个领域。通过应用层，智慧园区可以实现更为高效、安全、便捷的服务。

2. 场景建设

数字孪生智慧园区平台充分将基础地理信息数据、新型基础测绘、实景还原技术、3D可视化与3D建模技术相结合，着力打造虚实融合的场景化全要素管控园区，为园区提供周边较大范围内的基础地理信息底板数据。通过无人机快速获取园区周边范围内的实景三维模型，通过3D建模技术完成园区室外超写实精细化三维模型，包括路灯、井盖、消防栓、地下管道等部件级设施设备的单体化建模，如图2所示。

通过全景相机、单反相机和背包式激光雷达设备对园区办公楼内部以及地下停车场进行高清影像数据和激光点云数据采集，利用三维建模软件对室内主体框架、基础设施（门窗、桌椅等）和细小部件（灯、开关、摄像头等）进行精细化建模，并根据实际位置摆放，仿真还原现场环境，如图3所示。

智慧园区平台可反映园区相关范围内的孪生场景情况，实现将园区整体环境及楼宇的结构布局进行分级展示，实现区域管理从宏观到微观的无死角管理，做到全方位保障和效率的指数级提高，覆盖范围可包括地上地下、室内室外。

同时园区场景预置了24小时光影变化、阴晴雨雪霾天气变化等环境数据模型，通过拖动时间控制轴，可模拟真实世界的天气、时间、光影变化，并支持结合空气颗粒物密度、云量、雨量等参数，用户自主微调节场景天气呈现效果，可实现天气、时间、光影仿真模拟的效果同步反馈至植被等周围素材展示效果。同时也可通过与天气系统对接，实现环境模拟内容根据实际天气数据进行自动切换，如图4、图5所示。

3. 平台建设

平台建设采用“分散控制、集中管理”等成熟的指导思想，采用多层次架构的设计模式和面向服务的编程方式，实现系统横向、纵向分割，到达高内聚低耦合的设计目的。结合地理信息技术、室内定位技术、实景三维建模技术、实景三维可视化展示技术等，融合大数据存储及分析、5G、人工智能、知识图谱、设备集成、物联网、视频信息提取及分析等多项先进的技术，采用地理信息与游戏渲染引擎结合的先进设计理念，通过利用虚拟现实、三维仿真、动画游戏、地理信息工程等技术研发建设数字孪生三维平台，搭建基于海量多源异构数据的三维场景，形成集三维可视化、检索定位、查询统计、空间分析、物联感知等功能组件于一体的高水平先进数字孪生三维平台，并开发平台应用接口，使平台具备良好的拓展性和兼容性，根据需求建设相关应用示范。

4. 应用场景

（1）园区运营管理

数字孪生智慧园区平台可以全面升级传统的园区管理方式，实现园区运营管理的数字化、智能化和高效化。

1）能耗管理。通过智能化的能源管理系统，对接后台数据实时更新，可以监测和控制用电、用水等各种能源的消耗，并生成数据报表，实现能耗智能化分析管理，全面提升能源的利用效率和管理水平，为节能优化改造提供可靠依据，降低园区的能耗，实现智慧园区能源一站式管理。

2）管线管理。通过智能化的地下管线系统，可实现地上、地下一体化、管线数据的综合管理，结合地理信息系统（GIS）技术、数据库技术和三维技术，直观显示地下管线的空间层次和位置，以仿真方式形象展现地下管线的埋深、材质、形状、走向以及工井结构和周边环境，满足各种对管线数据管理维护的需要。

3）智慧停车。数字孪生智慧园区可集成对接智慧停车子系统，对停车场设施进行实景三维的可视化表达，获取IoC中停车场数据信息，对停车场中的车位使用数量进行实时展示，具体包括车位总数、空余数量等内容，实时掌握停车场的车位情况，在三维场景中实现智慧停车、智慧导航、智慧找车等停车业务的智慧化监管，减少停车寻车时间。

（2）智慧安防

数字孪生智慧园区平台将安防系统和人脸识别技术、智能控制技术、电子巡更技术等紧密结合，园区可以实现更加精准和高效的安防管理，提高安全性和效益。

1）视频监控分析。智能化的视频监控系统可以运用强大的图像识别算法进行实时的人员、车辆、物体等的识别，同时实现智能化的报警和事件处理功能。

2）智慧门禁。通过融合集成道闸等门禁设备的管理系统，以数字孪生三维可视化的方式实现人员进出门禁的登记、放行、数量统计等管理，进一步提升园区门禁管理的智慧化水平。

（3）数字化办公

数字孪生智慧园区平台可以将各种传感器、无线通信设备、智能门禁等技术应用到办公室中，实现真正意义上的数字化办公。

1）资产管理。通过精细化的资产设备管理系统，可以帮助企业对资产、设备的维修情况、耗能情况、使用状态等信息进行实时监测和分析，及时排除设备故障，降低运营成本。

2）智慧会议室。通过智能化的会议室管理系统，职员可以方便地预约会议室、查看会议室设备状态、实现会议座次安排等。智能化的环境控制系统可以实现门窗与空调开关联动、照明控制等会议布置工作的智能化提升、自动监测室内空气质量、声音以及温湿度等参数，并根据监测结果自动调节噪声、温度和湿度等参数，为员工创造一个更加健康、舒适和高效的工作环境。

3）人员管理。员工通过智能手机或者佩戴电子胸牌，在公司入口处可实现自动感应打卡，打破了传统的人为刷卡方式，实现员工智能考勤，提高考勤的便捷性和效率。基于高精度音频定位技术，可实时查看室内全部工作人员位置分布，点击该人员可查看当前人员信息，查看当前人员历时轨迹，可基于定位数据对到访人员和楼层工作人员进行统计分析。

（4）智慧向导

通过计算机图形学、语音合成、动作捕捉、人工智能和算法驱动等科技手段打造虚拟数字人，后续这款数字人形象将担任智慧园区向导与访客互动，通过虚拟数字人与用户进行多模态互动，“面对面”实现低延迟的实时交互交流，为游客提供路线规划、信息查询、导览讲解等智能服务，打造沉浸式的交互体验，有效提高园区吸引力、提升园区的品牌价值和商业价值。

1. 以虚映实，构建数字孪生数据底板

（1）地理信息多源数据快速采集及处理

通过天空地人网等采集手段，实现了倾斜影像、激光点云等多源数据的快速采集。

对于室外大场景，使用倾斜摄影实景三维的方法获取目标区域内的三维模型，其中包括建筑大楼、道路交通、植被覆盖和整体地形等数据的地理坐标和真实比例。

对于室内小场景，使用手持或穿戴式激光雷达设备来获取建筑内部结构和室内组成元素等数据的真实比例与相对位置信息，也可以通过获取建筑施工图来得到建筑内部结构信息。

对于水路管线、电路管线等模型的构建，利用CAD设计图纸获取此类模型的详细信息通过Revit进行建模；此外，对于倾斜三维模型以及激光点云模型无法清晰表达的物体信息，如井盖、路灯、指示牌等，以及物体细节信息，需要实地考察或相机取像。

（2）多尺度全场景构建

通过数字孪生技术，实现对园区及其周围环境的真实模拟，以提供更直观的信息展示和分析工具，构建室内外一体化场景、地上下一体化场景、动静态一体化场景等全息三维空间。路灯、井盖、消防栓、地下管道、室内部件等设施设备均为部件级单体化建模成果，如图6～图8所示。

（3）高逼真环境模拟与渲染

可多层次实时渲染自然环境全貌和建筑三维实体特征，对时间、光影和天气场景的真实表达与动态模拟，有助于在数字孪生中模拟楼宇在不同环境条件下的表现。

2. 以虚控实，多元物联感知信息集成

（1）物联网设备连接

通过信息传感设备，按照约定的协议，把灯光、LED屏幕、无纸化办公屏幕、监控设备等与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。

（2）物联网设备信息可视化

将来自物联网设备的数据整合展示，以提供全面的园区数据分析和可视化。通过整合不同设备的数据，可以深入了解楼宇的运行状况和性能，物联网设备信息的可视化，如图9所示。

（3）物联网设备控制

数字孪生可视化平台通过精确的数字模型和直观的界面，使用户能够轻松操控智能楼宇中的物联网设备。用户可以通过简单的操作，如点击或滑动屏幕，实现对灯光、窗帘等设备的开关、调节和场景设置，如图10所示。

3. 以虚预实，物联设备数据智能分析

（1）视频智能分析

通过视频可实现人体分析与行为分析，如图11所示。

人体分析：支持人体检测、跟踪，身份识别，以及对人物属性（性别、年龄、穿着等）识别等功能。

行为分析：分析人物的行为，比如是否使用手机进行识别，是否吸烟。

（2）物联网设备状态分析

数值预测：根据历史数值，预测未来数值。比如预测未来用电量。

异常预警：根据传感器数值，预测物联网设备运行风险，包括管线预警、消防预警、电梯预警等。比如根据水管阀门压力，预测是否会因水压不足引起停水，或者压力过大导致水管破裂。

4. 以虚优实，物联设备自动优化决策

（1）物联网智能控制

节能减排：根据物联网设备历史数据分析预测结果，对物联网设备进行自动智能自动开关控制。

自动告警：实时感知设备异常变化。

智慧停车：三维场景停车引导、智能找车、公务车位占用警报。

（2）智能助手

外形：高写实数字人。采用先进的扫描技术和摄影测量方法，收集真实人物的外貌数据，经过精细处理和模型重建，融合各种细节信息，从皮肤纹理到肌肉运动，再到微表情和眼神交互，实现了数字人的高逼真度，如图12所示。

智慧大脑：构建基于大语言模型的智能问答系统，实现了高度个性化和智能化的问答能力。根据具体应用进行微调，以适应特定领域的知识和需求；通过本地部署，能够快速响应用户，并保证数据安全；通过与互联网和本地数据库的结合，保持回答的准确和最新信息的把握和应用。

数据分析：基于物联网设备数据，从数据之中智能提取关键要素，比如哪一个办公室昨天用电量最多，现在停车场哪个区域还有位置等。

语音操控：构建语音唤醒、语音识别、语音合成模块，实现对数字孪生可视化平台的语音操控能力，能够基于语音实现对园区的测量、物联网设备的开关、物联网设备数据的分析等功能。

智慧园区是智慧城市战略规划中重要的一环，也代表着我国产业园区从传统劳动密集型——技术密集型的重大转变。园区作为产业高度密集、人才聚拢、价值输出的集群对象，有着带动地方性税收、促进城市经济效益的功能性作用。智慧园区也是民生经济带动下的产业升级和未来经济增长点。

首先，智慧园区利用智能化的控制与管理，一站式的管理实现了园区的低碳运行，减少园区主机系统的数量和电耗能，提高园区电能运行效率。智慧园区具有设备监控、数据记录、工作状态监督和路线安排等功能，能够有效降低员工的重复劳动，优化工作流程，提高总体的生产效率。这些效益作用凸显传统园区改造升级的必要性。其次，由于有园区信息资源的深度开发，因此园区在进行发展决策时有了可靠的数据支持，从而制定切合内外状况的经营策略，增加营收，降低风险，同时也可以解决传统园区在经营管理上遇到的一些问题。

智慧园区顺应了现代化转型的发展，顺应了智慧城市建设方向，顺应了我国新兴产业发展战略。智慧园区通过“互联网+”技术和智慧运维平台的搭建，融入物联网、人工智能等核心技术，为园区和入驻企业的产品与服务提供智能展示平台，实现园区招商的可视化，帮助园区经营方解决招商引资难题，还能帮助实现企业产品营销的场景化，提升园区的管理、服务能力，进而创造园区经济效益的最大化。

开展数字孪生智慧园区平台的建设和应用项目，高水平高效率支持智慧园区服务数智化、园区管理数治化、园区产业智能化等全方位数字化转型。通过该项目的成功实施，力图打造智慧园区建设的能力底座和应用典范，与各行各业生态合作伙伴共同打造高效、便捷的数字孪生应用，助力政府及企业实现新一轮数字化升级，加速社会数字经济发展，全面实现数字中国建设。

《2023智慧城市 · 优秀应用案例集》已正式开启征订，欢迎各位新老朋友征订！