1. 引言
智慧园区这一概念已经普及很久，并且得到了广泛的认可，一些重要园区将智慧园区作为重点发展战略[1]。随着国家大力倡导社会经济发展全面绿色转型，中国环保产业、循环经济呈阶梯式发展[2]，各类循环经济产业园区、固废处理园区不断投入生产。相较于传统普通园区，固废处理园区有着工艺复杂、生产危险性高、能耗大、有一定环境污染等特点，智慧园区管理系统可以有效地整合园区内部信息化软硬件资源，包括各类环保监测设备、安防设备、门禁设备、楼宇自动化设备，然后使用信息化技术进行统一管理以及对园区运行状态进行监控，对园区能耗、排放数据进行实时监测，并且可以服务园区内各类角色，规范员工作业。平台使用CIM理念，CIM是LOT + GIS + BIM的集成，通过GIS将园区时空数据记录下来，便于数据回溯，BIM记录了厂区设施从设计到运维的全生命周期数据，针对园区内部工艺管线复杂的特点，可以充分发挥BIM在隐蔽工程运维上的优势，可以便捷地查看建筑、管线图纸，施工记录，设计信息，运维记录[3]-[5]。
2. 智慧园区发展现状及创新点
智慧园区是智慧城市在工商业组团的延伸，融合于现有的城市功能区，通过一系列长期的规划和建设，结合物联网等先进技术，从而达到园区内部的高效管理，运营成本降低的目的，从微观层面实现城市的可持续发展[6]。国内的园区从早期的纯工业生产厂区开始，历经多年发展，演变为智慧化、精细化、以人为本的园区，为园区内企业和运营单位带来经济效益[7]。
学者傅小宁等从物联网云计算等角度研究了人脸识别技术在上海浦东智慧园区考勤，安防权限等场景的应用[7]。学者李宏侠研究了基于物联网技术的园区停车管理平台，提升园区停车效率[8]。学者陈燕研究了三维地理信息在园区中的应用，展示了上海国际旅游度假区的真实场景[9]。学者贾蓉研究了基于BIM的工程建设全过程管理，研究了BIM在规划、设计、施工阶段的应用。该研究只限于工程竣工前，在园区运营运维阶段并未开展研究[10]。学者胡康研究了BIM技术在智慧社区运维阶段的应用，研究内容偏向于模型展示[11]，对于大型固废环保产业园关注的隐蔽工程可视化展示，关键设备运维记录等并未涉及。
本文在前人研究的基础上，充分汲取现有学者的研究经验，针对环保固废园区工艺多，管线复杂的特点，基于CIM技术，结合管理痛点，探索三维模型在大型园区运维阶段隐蔽工程展示，设备运维管理，工艺仿真等方面的应用。
3. 技术方法
系统后端采用微服务的理念来开发，微服务是开发架构中的一种，它是将大型系统按照业务划分拆分为若干个组件，每个组件自成服务，处理各自负责的事务，每个服务可以设置不同的权限，这些服务通过自定义的轻量API接口进行通信[12]。使用微服务架构可以缩短开发时间，使得软件可以更加便捷的进行拓展，不需关闭原有服务，直接注册新的服务即可。系统后端使用Spring家族的Spring Cloud，该技术为开发人员实现分布式提供了一系列工具，Spring Cloud作为微服务时代的产物，提供标准化的方案，并结合容器部署技术，可以降低开发成本[13] [14]，并且Spring技术发展多年，在各方面内容齐全，教程丰富，为中小企业实现分布式架构提供了帮助。
CIM全称城市信息模型，使用BIM、GIS、LOT技术，将城市三维空间，包括历史，现在和未来等时间尺度内的各式模型及传感器数据融合在一起，形成数字城市。基于CIM理念，使用Cesium组件，实现园区数字孪生相关功能。WebGIS平台经过多年发展，形成了以二维地图为主的市场格局，既有传统GIS厂商，也有新兴互联网公司入局，国内如百度、高德，国外如谷歌、MapBox等都有相关成熟产品。近年来，计算机硬件性能大幅提升，3D渲染从工程设计等应用场景拓展到普通互联网用户，CIM、数字孪生等理念也不断完善[15]。Cesium是一款用js开发的，基于WebGl的三维地图引擎，支持各类地理数据，包括处理后的BIM数据，正射影像，倾斜摄影，矢量模型等一系列地理数据。在CIM平台中，实现多维异构的数据融合是难点也是重点，Cesium支持的格式为3DTILES，这是一种开源的数据规范，3DTILES使用八叉树索引，使用金字塔结构来渲染数据，更适合三维数据。针对园区不同建筑设施和业务功能需要，使用不同建模工具，包括3DMAX和BIM建模，在模型数据处理工作中，需要将各类模型转换为3DTILES，并进行LOD切片[16]，BIM模型还需额外进行轻量化处理，减少模型三角网，使得在浏览器中渲染更为流畅[17]。
4. 系统设计
1) 系统架构设计
系统架构为B/S模式，用户使用普通浏览器就能访问系统，可方便快捷的登录系统。服务端基于SpringCloud框架，使用Java语言开发，数据库使用SqlSever。前后端数据通信协议为HTTP2.0，前端开发框架为Vue，集成三维GIS引擎Cesium，页面设计原则为扁平化风格。系统架构设计时，应充分考虑功能模块的可拓展，当有新需求时，不需要对原有代码进行大幅修改就能完成新功能。在设计时，为了保证稳定性和安全性，还需制定数据库的自动备份以及异机备份策略，还需额外配置冗余服务器，主服务器故障时可自动切换至备机。
系统网络架构采用工业控制网，园区传感器通信网，办公网三网隔离的方案。工业网产生的数据通过隔离网闸传入办公网数据综合平台，办公网和园区通信网按照不同区域划分为对应功能区域，不需要互联网的业务直接部署在内部区域，需要互联网的业务部署至DMZ区域，并配置硬件防火墙及安全审计策略。网络和服务器资源需建立定期巡检制度，更新服务器操作系统，应用系统漏洞。
2) 系统功能设计
系统建设紧密结合各种最新尖端科技，在底层信息基础设施上搭建N个应用系统，搭建一个完善的软硬件平台，实现园区人机料法环的有效管理。平台底层为感知层，为各种传感器设备，包含摄像机，门禁，车辆道闸，排放指标探测设备等。承载层为基础网络，主要为视频监控网络，基础网络，PLC网络。平台层为数据库平台，GIS平台，协同办公平台，安防平台，楼宇自动化平台。应用层是针对各个子应用开发的系统模块。门户层是展厅大屏驾驶舱，监控中心，运维控制中心。系统架构见图1。
本文涉及的产业园区为大型固废垃圾处置环保园区，涉及厨余垃圾处理、生活垃圾焚烧、污泥无害化处置、飞灰填埋等业务。除了常规的安防管理、楼宇管理、停车管理等，本文着重介绍工艺仿真、关键设备运维、管网信息查看、虚拟巡检等智能运营功能。
Figure 1. System architecture
图1. 系统架构
5. 系统实现
系统后端开发语言为JAVA，JDK版本为1.8，前后端分离，与前端接口协议为HTTP，采用RESTFUL API风格。使用内嵌Tomcat作为接口容器，Nginx作为静态文件服务器。后端使用Eclipse开发，前端使用VSCode开发。平台涉及与第三方自控系统进行数据通信，使用C#开发通信组件，基于Modbus通信协议，从自控系统中取出数据存入数据库中。
三维地理数据由多种数据构成，底层为天地图WMS影像服务，上一层为无人机拍摄的0.05米分辨率的DOM正射影像，倾斜摄影，3DMAX制作的地表模型，以及将BIM模型轻量化后能得到的园区建筑模型。平台中使用的BIM模型是根据工程图纸结合现场激光雷达测量人工翻模的1:1竣工模型，范围涵盖了园区内所有建筑物，生产厂房。除了常规的模型格式转换，为了支持设备信息查看、虚拟巡检等功能，还需为关键设备添加身份证，比如污泥处置中的板框压滤机、厨余处置中的离心脱水机等设备，用以绑定监测数值。
Cesium可以较好地支持影像服务，正射影像，倾斜摄影，地表模型及BIM模型需要转为3DTILES格式发布，前端通过URL地址访问这些数据。在三维地图页面，开发了一系列基础小工具，包含图层管理、旋转、放大、缩小、鹰眼视图、指北针等。
平台主要由以下几大模块构成，管理大屏、智能安监、智能运营三大模块。管理大屏是园区运营数据动态展示，展示了园区的重要指标、监测数据、巡检数据、设备异常数据及视频监控数据。园区运维人员可以从多个角度直观详细地反应园区的具体运行情况，实时查看安防监控视频，生产运营数据，能耗数据汇总展示，管理大屏是对园区运营生产重点数据的展示汇总，并结合CIM平台，查看人员流动，车辆流动情况。平台首页见图2。
Figure 2. Cockpit
图2. 驾驶舱
智能安监分为几大子模块，智慧安防是通过园区内的智能化硬件设施的使用，即时监控、感知园区内部环境，通过接入相关数据以及预设的相关算法，平台会即时筛查安全漏洞，并发布报警信息，将相关危险事件遏制在未发生时，保障园区的安全运营。智慧安防页面见图3。
Figure 3. Smart security
图3. 智慧安防
智慧楼宇是利用大数据分析、BIM和物联网技术，基于底层数据平台，将各类系统、信息流进行筛选清洗汇聚重新整合至运维平台，提升园区的运维管理能力和综合服务水平。地磅管理是当车辆经过地磅进行称重时，需刷卡完成称重，系统识别称重车辆及货物重量数据，推送到系统或大屏实时显示今日称重信息、当前车辆称重情况，页面见图4。
Figure 4. Weighbridge management
图4. 地磅管理
Figure 5. Intelligent operation
图5. 智能运营
智能运营由四大子模块构成，资产管理是建立园区资产库，通过先进的RFID技术对资产实物实现全生命周期的管理，从而形成园区资产一本账，资产页面见图5。园区物业管理是使用园区智慧物业管理平台，工作人员提前录入园区物业信息，并对信息进行维护，从而实现园区物业管理工作的信息化，便捷化和智能化。对于重点生产设备，平台可以制定养护计划，可以自动提醒相关人员处置，并可结合模型快速定位设备在厂区的位置。
工艺仿真能够有效地对生产工艺流程进行仿真，为生产提供参考，也可以为新员工进行培训。平台中预制了多类有针对性的二三维仿真实验模型，以污泥处理工艺为例，模型使用Unity技术进行制作和发布，嵌入网页系统，污泥处理工艺概括就是送料、加水、加药、压滤、烘干、焚烧，用户通过实验模型的计算，能够获取相应的仿真数据，为生产人员日常工作提供有效的参考依据，工艺仿真页面见图6。
Figure 6. Process simulation
图6. 工艺仿真
Figure 7. Pipeline information
图7. 管线信息
园区内部管线种类多、距离长，除了常规的市政管线，还有除臭、中水、热力、新风等各类型管线，部分是架空管，部分是埋地管。平台对于管线实现了三大功能，一是通过开挖、剖切等功能查看隐蔽管线，可查看管线基本信息与周边管线及设施的距离，可在工程改造时提供参考。二是对于压力管可以通过三维动画展示管线流向。三是可以展示压力、流量等传感器信息，当传感器告警时，可以快速定位至管线告警位置，辅助运维人员消警，管线信息见图7。
Figure 8. Fixed route inspection
图8. 固定路线巡检
Figure 9. Inspection collision
图9. 巡检碰撞
虚拟巡检模块支持两种模式，固定路线巡检和自由模式点检。部分巡检点位处于有害区，人员不便进入，可设置固定路线，通过监控或系统平台查看传感器指标或现场情况。自由模式点检，由运维人员控制人物模型进行行走，房间内部设备进行高亮，无关设备进行半透明或非高亮处理，人物走到设备处自动弹出窗口进行点检确认。虚拟巡检主要解决了两个问题，一是通过信息化手段完成了受限空间的巡检，二是通过三维模型解决了虚拟巡检的打卡问题，在模型中将需巡检位置抽象成三维面，通过摄像头云台的位置和镜头角度生成一条法线，线和面相交时标记为已巡检，巡检页面见图8、图9。
Figure 10. Energy management
图10. 能源管理
Figure 11. Parking management
图11. 停车管理
能源管理模块是基于园区能源管理监测系统，依据建筑节能要求，需要对园区各厂区室内照明、空调用电、电梯或其他动力系统用电、应急照明、楼层用电进行显示或数据治理，统计瞬时能耗信息、今日能耗信息、及近一段时间内的能耗情况。并对园区内各个地方各种类型能源的使用量进行综合性的统计分析，通过空间时间维度的统计分析，可以发现能耗异常点，能耗波动情况，为园区降低能耗提供抓手，能源管理页面见图10。
停车管理模块是深度对接既有停车管理系统，对进出园区的车辆综合管理，车辆进入园区后，通过CIM底图和定位系统，对车辆在园区内的作业进行实时监控和远程调度，严格把控车辆在园区内部的作业流程，确保园区交通顺畅与行车安全，保证园区内部车流物流正常运作，停车管理页面见图11。
6. 结束语
园区的智能化管理，是运营管理方，入驻企业的诉求，也是时代发展的必然要求。本文基于Cesium，互联网技术，物联网技术开发了基于CIM的三维数字孪生智慧园区信息管理系统，接入了园区内安防设备，门禁系统，楼宇自动化管理系统数据，开发了数据驾驶舱大屏，能一览园区概貌，园区各企业生产运营情况，做到由危险治理向预防隐患转变，结合产业园区特色及管理难点，探索研究虚拟巡检、隐蔽工程查看等功能，提升园区精细化管理能力，规范园区内部工作人员作业流程，为园区管理部门决策提供数据支持和参考。