智慧园区是智慧城市的基础构件，城市中每个园区的智慧化程度最终决定了城市的整体建设水平。数字孪生智慧园区是由物理世界中智能化基础设施和数字世界中软件服务共同构成。数字孪生系统具备全样本数据收集、分析和仿真等能力，可基于园区运行大数据持续对服务管理进行优化，使园区的运行和服务体验得到持续升级。
数字孪生智慧园区的总体架构
数字孪生智慧园区总体架构分为基础设施层、网络传输层、信息资源层、平台支撑层、智慧应用层和智慧园区智能运行中心（IOC,Intelligent Operations Center）六个层次，如下图所示：
▲图1 总体规划图
基础设施层
基础设施层包括园区智能化子系统和智能化物联感知设备两大类。
园区智能化子系统是构建智慧园区的基础系统，包括智能照明、智能停车场、交通信控、楼宇自控、视频监控、综合安防、综合消防、电梯控制等系统。
智能化物联感知设备是园区基础设施及感知能力的补充增强，包括多功能智慧灯杆、智慧井盖、无人巡检机、空气与环境检测、空间定位等设备。
网络传输层
网络传输层主要包括：服务公众的移动通信网、光纤宽带网；服务交通和治理的车联网；服务园区行政管理的办公网；服务安防、消防与应急处置的安防应急专网；服务各类智能化设备系统通信的设备专网。
信息资源层
信息资源层是数字孪生园区的数据“底座”。通过时空大数据技术，对地理信息时空大数据、设施与设备三维模型、建筑与基础设施 BIM 、物联感知、业务专题等数据进行融合，进而构建出具有时空属性的数字孪生实体。这些数字孪生实体具有生存周期内的全部数据，上层的数字孪生平台可基于这些孪生实体进行园区运行指标分析、仿真运行、趋势预测、治理方案评估等各类业务服务。
平台支撑层
数字孪生综合服务平台主要由仿真场景构建平台、数据融合服务平台、三维云渲染服务平台和可视化开发平台构成。平台支持S3M标准（《空间三维模型数据格式》T/CAGIS 1-2019），通过极好的开放性与多端一体化的服务，为上层智慧化业务应用提供平台支撑。
智慧应用层
智慧化应用提供了智慧园区从规划建设、施工建造到运营服务的全生命周期解决方案，对于园区已有各业务应用系统可基于平台实现快速集成与能力升级。
智慧园区运营中心
智慧园区运营中心是智慧园区的总控大脑。通过融合集成各类智慧化应用，为园区的运营管理提供了统一的驾驶舱。系统提供了综合监管、运行监测、维护管理、安全态势、应急指挥等功能，利用时空大数据和模拟仿真等技术，可持续对各类指标进行分析，预测未来态势，为日常运营管理提供支撑，为应急处置提供前瞻的决策依据。
标准规范体系及自主可控
智慧园区的建设将遵循一系列成熟的标准与规范体系。确保了系统的生命力和安全。平台实现了全方位的自主可控，包括国产的CPU、数据库、操作系统、云环境、GIS、北斗定位等，全面确保了园区各类运行管理数据和IOC对园区物理设备控制能力的安全。
园区规划设计仿真化
园区在前期规划设计时要用到大量基础地理数据，这些基础数据通常分散在各个部门且相互孤立，同时由于各类专项规划设计参与的单位众多，因数据渠道、设计流程不同，导致规划设计成果常常彼此冲突。如何将各类数据有效地整合在一张图上，使各单位、各部门在统一的仿真实景中共同规划、协同设计、自动核规审查，是数字孪生平台首先要解决的一个基础问题。
为此我们根据此阶段的特点，实现了支持GIS+BIM多源异构数据融合的数据引擎及配套数据治理标准：通过SDX+空间数据引擎，实现栅格影像、矢量地图、激光点云、三维模型、BIM模型等数据的一体化融合；通过多源异构数据融合技术，在数字空间中形成了多维统一的空间数据资源池；同时系统还提供了规则建模、空间分析、红线检测、控高分析、天际线、日照分析、容积率分析等规划设计所需的能力。
▲图2 三维规划设计能力
各参与单位可基于一致的孪生数据资源服务，通过可视化的方式在数字孪生空间中进行园区的综合规划设计。通过平台提供的可视化渲染服务，可实现高逼真的规划设计成果仿真呈现。
▲图3 园区整体规划设计仿真
数字孪生系统直接支持VR端接入。规划设计或审核者在数字孪生空间中可以进行沉浸式的漫游，直观地感受园区建成后的园林绿化、建筑光照、夜景灯光等整体效果。通过对仿真场景中数字化身的身高体态等设定，可以更真实地对园区景观或无障碍设计进行体验，及时发现设计缺陷。这些功能都使得园区在规划设计之初即可达到极高的设计标准。
▲图4 园区水系景观设计
建造管理可视化
数字孪生平台具备广泛的BIM数据集成能力，可以在数字孪生空间中直接融入Autodesk Revit、Bentley、CATIA、Tekla、IFC等多种格式的数据，使BIM技术可以更深地融入到园区的整体建设和运营生命期中，而不再仅限于单体工程项目应用。同时利用超图云渲染能力，平台消除了设备门槛，解决了三维场景访问难题，使各专业都能够在园区整体数字孪生空间中开展工作协同。
▲图5 园区建筑设施建造管理（BIM集成）
当 BIM 融入到数字孪生空间后，将形成更加完整精细的园区数字孪生体，形成智慧园区全生命周期管理的基础，实现BIM数据在各应用阶段的互通，提升BIM数据应用范围。平台支持与建造过程同步孪生化管理，通过将BIM中的构件模型与物理工程对象绑定，每一个构件都将实现从采购到装配再到运行和维护的全时态信息集成，进而实现全要素、全生命周期的数字孪生化管理的目标。
运维管理动态化
通过物联动态数据集成能力，系统实现了对设备资产的实时管理。仿真场景中每一个孪生实体都能够同步映射现场设备的实时工况。通过对设备工作环境、状态、温度、压力、电压、电流等运行数据的实时采样收集，系统会根据监测指标实时分析各系统的运行效率、运行状态并监测相关临界值等，同时还将与历史数据进行对比分析，根据分析结果自动调整设备运行模式，保障各系统稳态运行。基于分析结果，系统能为设备自动分派维护工单，并持续追踪维护人员及时处置。
▲图6 市政设施设备运行监管
得益于运行大数据的集成，系统为各设备的系统赋予了更强的联动协作能力，例如空调系统可根据人流态势、环境质量等多维信息来综合判断建筑物内新风需求，从而实现更精准的按需设备服务，同时提升园区能源利用水平。
运营管理高效化
园区的运营管理内容复杂、覆盖面广，如何对园区运行进行高效治理、提升运营水平，使企、事业和社会公众充分体验智慧化带来的服务便利和体验升级，这是每个园区智慧服务的追求。
通过数字孪生的融合集成能力，园区数字孪生系统会实时自动监测园区每一个角落的服务需求，同时结合历史数据持续对服务模型进行迭代优化。例如：系统可根据停车场负载情况、道路和人流态势、交通事件和历史趋势等知识综合研判交通信控策略，通过综合运行大数据应用来持续迭代优化园区通行体验。
在城市综合治理方面，系统可以在现有固定监管设备的基础上，融合无人机、无人摆渡车等移动设备的动态数据，对整个园区的运行态势进行无死角收集，并结合对数据的融合分析提升园区治理水平。例如：通过车载雷达或视频来动态采集路面垃圾清理情况；通过数字孪生平台提供分析能力，系统可自动对行道绿植的健康及风险进行持续评估，自动向清理人员派发任务并追踪其处理效果。系统还会自动对完成情况进行复核，从而持续确保园区的安全与整洁。
▲图7 无人车实时视频融合应用
服务管理指标化
园区的政务、物业及公众服务体验是提升公众满意的基础要素。通过数字孪生系统，管理者可对园区政务或服务中心的工作情况、态势进行全维度监测洞察，及时发现服务堵点、快速给出处置建议，使办事体验如丝般顺畅。
利用孪生仿真场景，系统还可为公众提供更加直观易懂的引导服务。数字孪生系统中的GIS空间综合定位引擎可对北斗、蓝牙、UWB、视频识别等进行多源定位融合计算，为来访人员提供室内、室外一体化的无缝高精度位置服务。结合基于孪生仿真场景的服务引导大屏和AR智能引导系统，为公众提供了更加直观便捷的服务引导。
▲图8 仿真场景引导与AR引导系统
平台还可以利用AI技术实时对现场同步孪生的音视频数据分析，对服务过程质量进行测量，同时通过视频和语音情感分析实时帮助办事人员改进工作技巧。平台中的业务预测分析模型可利用预约、办理趋势等信息给出调度建议，实现按需动态扩容服务窗口、调整时段、维护场地秩序等调度。孪生平台通过一系列的技术为园区服务进行赋能，从而减轻工作人员服务压力，节约公众时间，消除各服务节点的摩擦力，实现更有弹性的服务，实现群众满意度的大幅提升。
▲图9 服务趋势监管
随着园区对运行效率及服务体验需求的持续升级，传统的信息化手段已无法满足当前园区运营管理的需求。依托大数据、AI、物联网、BIM + 3D GIS、融合定位等多种技术来构建数字孪生智慧园区已成为最流行的解决方案。
数字孪生智慧园区建设基于园区数据资产化、业务管理可视化、设备运维自动化、应急响应前瞻化、运营服务高效化的理念，实现了智慧园区“规/建/管/运/宣”全过程、“人/机/物/法/环”全要素、“地上/地下”全空间、“过去/当前/未来”全时态的精细化管理，以数字孪生技术深度赋能智慧园区管理。
