《园林》学刊·专题导读（2023.07）丨公园智慧管理中的数字孪生模型技术研究

公园智慧管理中的数字孪生模型技术研究

Research on Key Technologies of Digital Twin in Intelligent Management of Park

董则奉*    汪正    张朱虹

董则奉

上海园林（集团）有限公司第一分公司技术中心经理，高级工程师（绿化），研究方向为园林数字化技术、园林智慧建造技术

汪正

上海园林（集团）有限公司第一分公司副总经理，中级工程师（绿化），研究方向园林工程智慧建造技术

张朱虹

上海园林（集团）有限公司第一分公司副总经理，中级工程师（绿化），研究方向为园林工程数字化管理技术

• 全文刊登于《园林》2023-07期P43-49.

• 全文引文格式：董则奉,汪正,张朱虹.公园智慧管理中的数字孪生模型技术研究[J].园林,2023,40(07):43-49.

• 摘要：数字孪生技术起源于航空业，在智造业、医疗业和智慧城市建设领域有较好的表现。该技术的实施应用核心是建立包含物理实体性能、维护和运行状况数据的数字孪生模型。在公园领域，高品质的数字孪生模型能够成为公园实体和数据信息之间的桥梁，对公园的智慧管理有显著意义。由于公园环境要素多样、管理要求复杂，其三维建模、数据存储、渲染性能面对较大挑战。因此，信息数据、三维模型和公园实体之间一直存在无法高效、精准匹配的系统性问题。通过实践研究，开创性地将公园数字孪生模型的搭建过程划分为需求分析、技术选择、模型搭建、数据绑定4个环节，并提取每个环节中与公园智慧管理实际需求紧密相关的关键因子。通过实施信息权重分级筛选、多种建模技术集成、模型网格拓扑压缩、模型参数驱动更新、制定数据绑定标准等技术措施，响应关键因子的需求，从而建立信息化、精准化的公园数字孪生模型构建技术体系，最终助力公园智慧管理工作。

• 关键词：公园；智慧管理；数字孪生模型；BIM技术；数据信息

     1 公园数字孪生模型技术的     

重点环节及关键因子

公园数字孪生模型的具体搭建过程是一个完整的系统流程，在大量工程实践研究基础上开创性地将其划分为公园数字孪生模型的需求分析、技术选择、模型搭建、数据绑定四个重点环节。如图1所示，公园数字孪生模型会受到公园实体特点、公园数据特征、公园管理需求、模型搭建效率、模型成果精度和模型搭建成本等大量不同影响因子的相互作用。

图1  公园数字孪生模型技术的重点环节及关键因子示意图

     2 公园数字孪生模型技术的     

核心构架及关键技术

为了实现公园智慧管理的信息化、精确化、高效化，必须对公园数字孪生模型搭建过程的关键因子进行深入研究，如图2所示，通过信息权重分级筛选、多种建模技术融合、模型网格拓扑压缩、模型参数驱动更新和数据绑定标准制定等关键技术响应关键因子的核心需求，形成关键技术路径。

图2  公园数字孪生模型技术的关键技术路径示意图

2.1 信息权重分级筛选

公园中涵盖地形、绿化植被、滨水工程、水景、路面铺装、园林小品、园林建筑（仿古）、给排水、强弱电、附属设施等不同要素，每一个要素实体都包含着名称性质信息、几何学信息、空间定位信息和数量信息。进行公园数字孪生模型搭建工作，必须先明确所有与智慧管理面相关的信息。

表1  公园信息权重分级表

2.2 多种建模技术融合

公园占地广、要素多，在正式开展建模工作前应对公园的占地面积、复杂程度、隐蔽情况以及内部构成比例进行分析，结合公园的实际情况对建模技术的适用性和效率进行评估。在此基础上，综合运用多种技术，尽可能地提高搭建效率。

表2  主流建模技术适用性分析表

2.3 模型网格拓扑压缩

通过去除三维模型的非几何信息，简化结构和几何拓扑关系对植物进行轻量化处理，不仅能较好地保留树形姿态和叶片肌理，又能将单个模型压缩至100字节以内、大幅降低三维模型所占用的存储空间。通过该技术在模型的细节精度和模型字节大小之间寻求最佳平衡点，同时满足智慧管理系统平台的视觉传达和快速运行要求。

图3  乔木模型轻量化压缩示意

2.4 模型参数驱动更新

公园并不是一成不变的，由于更新维护的需求不同，不同公园实体的更新频次也各不相同。目前，公园实体出现更新变化后，需要耗费大量精力进行模型调整，效率极其低下。在模型搭建过程中，应筛选出更新频次较高的公园实体，对其模型进行参数化驱动设置，满足绿地变化时快速调整模型的需要。

表3  公园实体更新分析表

2.5 数据绑定标准制定

目前，各个公园智慧管理系统都是独立承包商建立的，数据的共享难、通用性低。将行业管理者视为项目执行者，建立主体项目，制定统一的模型数据标准，通过模型链接的方式将各个承包商独自建立的信息化模型进行整合，以此通过统一的模型平台实现公园信息的有效共享。

图4  数据绑定方案示意

   3 公园数字孪生体系应用案例   

上海虹桥前湾公园以“融汇一江一河的生态C型水湾”为肌底，通过“5+1+1”慢行游线环湾贯通，形成“外湾色叶大道、内湾滨水花道”的绿化结构，自北向南划分森趣前湾、文化前湾、运动前湾三大核心功能片区，创造生态、人文、活力交融的新海派水城。其中，—期建设位于文化前湾，总面积约8.1hm²，绿化面积 3.7hm² ，硬质面积4.4hm² 。

图5  上海虹桥前湾公园一期数字孪生模型

通过整个项目的实施，对公园智慧管理中的数字孪生模型技术进行了验证。当整个项目完成时，能够将BIM模型快速转化为数字孪生模型，直接载入智慧管理系统平台后，为公园智慧管理提供有力支撑。

   4 结论与展望   

公园数字孪生模型是反应公园实体真实状态的虚拟实例，信息化、精确化的公园数字孪生模型可以有效提高公园智慧管理的准确性和运营效率。上述研究讨论，建立了一套真正面向公园智慧管理的数字孪生模型构建技术体系，确保了公园数字孪生模型能够高效、精准地匹配公园实体和数据信息。为了让数字孪生技术在公园智慧管理工作中发挥更大作用，还应进一步对数据采集加工、数据安全管理、系统平台融合等方面进行深入研究。

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编辑校对丨舒婷婷              微信排版丨戴嘉旻              文章审核丨钱秀苇   戴嘉旻

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