CIM论文 │ 基于CIM的智慧综合能源研究与应用

城市信息模型是指以建筑信息模型（BIM）、地理信息系统（GIS）、物联网（IoT）等技术为基础，整合城市地上地下、室内室外、历史现状未来多维多尺度空间数据和物联感知数据，构建起三维数字空间的城市全信息有机综合体。CIM广泛融合了新一代信息技术，具有协同性强、模拟效果好、要素信息表达精细等特点［5］，其概念的提出是为了解决智慧城市在建设过程中，存在基础数据信息缺失、信息共享不畅、数据孤岛现象丛生、平台重复建设等突出的问题［6］，通过CIM技术将城市规划、设计、建设、运营等各个环节的数据融会贯通，进而提升各阶段业务主体的协作效率，发挥数据应用价值。

其涵义除了表示城市信息模型，还包括针对多源异构数据汇集、加载、治理和计算的CIM基础平台，以实现数据转换与挂接、模型轻量化与浏览、定位查询、实时监测、模拟仿真、多场景融合、支撑各类应用的开放接口等基本功能。以此基础平台为支撑，在此之上可承载拓展丰富的“CIM+”应用，为不同领域的智慧应用提供底层技术支持，从而再以服务化的方式提供给不同用户端和对象进行应用，其架构如图1所示。

 

 

图1 CIM基础平台架构

综合能源服务的提出，是为了解决我国能源结构单一和能源系统效率低这两大能源体系的核心问题，它是围绕国家和政府的能源方针和政策，以实现清洁、科学、高效、节约、经济用能为宗旨，以可再生能源为主，集成热、冷、燃气等多种能源，改变以往供电、供气、供冷、供热等各种能源供应系统单独规划、单独设计和独立运行的既有模式，利用现代互联网技术、智能技术提升管理模式，强调“源网荷储”一体化，通过“源源互补、源网协调、网荷互动、网储互动和源荷互动”等多种交互形式，对各类能源的分配、转化、存储、消费等环节进行有机协调与优化，并与多种供能、节能设备相结合，充分利用可再生能源的新型区域能源供应系统，从而达到节能降耗、低碳绿色。

综合能源服务在欧洲、美国及日本等国家和地区发展起步较早，所开展的智慧服务在业务内容、商业模式和服务形式等方面不断创新并日趋多样［8］，但大部分智慧服务都集中在综合能源的管理运营阶段，而综合能源站作为服务提供的主体，在其规划、设计、建设阶段依然没有达到全过程的智慧化管理与应用。我国对综合能源系统的研究起步较晚，且围绕智慧综合能源的理论研究与实践工作仍处于初步阶段，采用数字化、智能化技术的应用案例成果较少，大部分智慧综合能源也是处在试点阶段。

总而言之，无论国内外，智慧综合能源服务并没有真正实现智慧化，大部分综合能源服务的还是基于传统综合能源站来开展，而传统综合能源站在规划、设计、建设、运维的实施主体不尽相同，对于数据信息的存储手段和媒介难免存在差异，且归档标准不统一，主体间协作程度低，极易造成数据质量参差不齐与数据信息丢失的风险，甚至在工程建设期出现设计与工程返工、责任归属不明确等问题，制约工程建设效率；此外，在运维期，大量运维数据常常无法得到及时清洗、存储和安全处理等操作，更无法对数据进行科学处理、分析与优化，使得数据的价值无法被挖掘和利用，甚至由于人工维护和存储占用成本等原因成为了企业的负资产。就综合能源站而言，能源生产侧和用户消费侧的用能动态平衡调整对于能源站的运维至关重要，若仅依靠传统人工调整的方式，不仅需要消耗大量人力成本，且其数据准确性和响应时效性也会大打折扣，从而导致能源浪费、投资低效、产能冗余等问题。

依托CIM技术打造数字孪生综合能源站，将IoT采集的能源站规划、投资、建设和运营的全过程信息纳入数字能源站BIM模型中，结合GIS空间分析，才能挖掘能源站与区域环境动态运行中不同尺度、不同精度的数据关联机制，去模拟多种粒度的空间和时间下的能源服务规律，使数字孪生能源站与真实能源站的复杂性、涌现性、动态性保持一致，辅助破解城市能源精细化治理的难题，从而打造智慧综合能源服务［9］。因此，综合能源服务与CIM平台的融合应用将是必然的发展趋势。

CIM技术赋予数字能源站之“形”。CIM技术强调能源站本身的全息数字化，时间和空间是极其重要的维度，所有的实体要素及其关联将基于“空间单元”和“时间箭头”而重新勾画，形成了能源站的过去、现在、未来的全息场景［10］，从而形成真正覆盖全过程、全要素、全方位的数字孪生综合能源站。它不仅具备实体能源站的“形”，且通过孪生模型纵向打通了规划设计、建设施工、运维管理之间的数据壁垒，实现全生命周期的数据信息共享和协同工作，提升建设施工质量和效率，降低安全风险［11］。

CIM技术赋予数字能源站之“神”。数字孪生综合能源站不单单只有“形”，使其具有生命力的关键在于“活数据”。CIM所具备的物联感知技术，可以及时、透彻地感知和监测能源站的设备、供能管网及周边环境等物理实体对象的运行状况。通过物联网监测感知到的“活数据”，通过不断采集、汇聚、大数据分析和机器学习，才能支撑数字孪生能源站全面感知、全面接入、全面监控、全面预警的实现，使其“形神兼备”的同时，提高自动供能平衡、蓄能调峰、问题识别、预测预警、运行评估的准确性和及时性，进一步提高能源站的运行主动保障能力，为企业降本增效［12］。

总之，CIM技术既能储存城市规模的海量时间、空间信息，又可作为云平台为城市各行业的智慧管理提供协同工作与数据调阅功能［13］。CIM平台融合综合能源服务，构建基于CIM+智慧综合能源服务平台，集成人员、流程、数据、技术和业务系统，围绕“源网荷储”一体化，在达到能源资源最大化利用的同时，实现综合能源规划、建设、运营全过程、全要素、全参与方的数字化、在线化、智能化。

江东新区是海南自贸区建设的重点先行区，新区规划按照“一港双心四组团”的规划进行未来布局，根据规划要求，须在新区构建清洁、高效、智能的综合能源体系，同时结合CIM技术打造基于“CIM+”的智慧综合能源服务平台，助力整个新区的建设，将江东新区打造成一个具有海南特色的国家现代化能源综合示范区。

江东新区智慧综合能源服务体系建设，利用新区太阳能、风能、燃气、电力、生物质、氢能等资源条件，结合用户冷、热、电、水、气、氢、充电等能源需求，通过分布式太阳能利用、分布式风电、燃气三联供、热泵、电制冷、充电桩、加氢站、储能等技术，在新区打造源网荷储一体化智慧综合能源服务项目。围绕智慧综合能源管理服务平台，对园区内部源网荷储进行优化调度、需求管理、协调控制。用户通过平台与外部能源公司进行能源交易，与其他用户进行碳权交易。体系架构图如下图2所示。

 

 

图1 智慧综合能源服务体系架构

智慧综合能源服务平台以CIM基础平台为底座，依托CIM平台的组件和标准进行开发建设，强调全生命周期集成管理，推进能源站规划、建设、运行、管理的业务协同。本文构建的基于“CIM+”的智慧综合能源服务平台将按照能源产业各项信息的采集、传输、应用和分析等环节进行展开，以标准体系与规范、信息安全为保障，分为物联感知、计算存储、平台、应用和交互五层架构，架构图如下图3所示。

 

 

图1 智慧综合能源服务平台架构

一是物联感知层。该层位于总体架构的最底层，收集传感器、摄像头、等传感器设备的实时信息，并通过传感器网关、网络基础设施和相关传输协议向上层输入信息，提供强有力的感知底座支持［14］；

二是计算存储层。包括支撑平台运行的数据资源、网络资源、计算资源和存储资源，与物联感知层一起共同构成系统的基础数据与设施底座；

三是平台层。依托CIM基础平台，实现了对各类数据的汇聚、加载、治理和计算，同时面向上层的应用提供应用开发、测试和运行过程中所需的基础服务；

四是应用层。基于CIM基础平台，提供相关业

务应用，包括辅助规划选址、工程数字管控和智慧运营管理三大应用，涵盖空间分析、质量管理、进度管理、安全管理、能源交互、负荷预测和售能运营等功能模块；

五是交互层。包括桌面端、移动端、web端交互和智慧大屏等交互方式。

针对江东新区“一港双心四组团”的区域功能划分、新区控制规划和建设要求，平台将智慧综合能源全过程业务与CIM基础平台功能实现深度融合，打造基于“CIM+”的综合能源服务应用，包含规划期辅助规划选址、建设期工程数字管控和运营期的智慧运营管理3个模块。

3.4.1辅助规划选址

该模块利用CIM基础平台大尺度的GIS三维地图作为规划底图，根据新区“一港双心四组团”规划目标，叠加新区总体规划、控制规划、详细规划等规划资料，结合GIS缓冲区分析、等时圈分析、路径分析、插值分析等空间分析功能，按照“集中式与分散式相结合”的方式，使江东新区能源网按照三级能源站点布局：包括1座能源总站，进行整个区域能源的集中调度与运营；3座一级能源站，负责江东新区“四组团”区域规划中四大片区的能源运营与调度；围绕各片区一级能源站，再设立12座二级能源站，以此覆盖新区各个片区的能源供应。

3.4.2工程数字管控

该模块将CIM技术与能源站工程建设过程紧密结合，依托BIM技术打造数字孪生能源站，结合物联网技术，实现对能源站工程安全、质量、进度、成本等方面的精确管控。通过CIM基础平台对BIM孪生三维模型、数据的集中、统一展示和管理，在工程竣工时，形成具有全过程工程建设信息的数字孪生能源站，实现其工程建设的数字化移交。具体应用包括：

第一，施工过程精细化管控。根据工程设计、施工、安装、调试、验收、移交的全生命周期管理要求，将工程信息管理、安全管理、质量管理、进度管理、投资管理、生态环保管理等过程数据通过BIM模型进行统一挂接和存储，形成工程数字档案，从而将数据可视化的同时，实现工程各项数据之间的汇聚与共享，提高工程协同效率。

第二，工地智能监管。依托CIM基础平台提供的三维场景，接入施工现场布置的各类智能摄像头，与人员定位系统和道闸系统集成联动，可综合监测车辆、人员出入情况，进而对施工动态和进度进行实时监控与模拟。平台同时接入了环境监测设备，对现场PM2.5、PM10、噪声、温度、湿度、风向、风速等参数采集并实时显示，超过阈值可自动报警并定位报警点，实现工地现场的数字化精准描述，为工程施工行业的污染控制、污染治理、生态保护提供环境信息支持和管理决策依据。

3.4.3智慧运营管理

平台依托CIM基础平台提供的三维可视化功能，将整个新区冷、热、电、气等能源的运营管理进行可视化赋能，实现更为直观、精细的一体化管理。该模块分为能源交互、集中监控、负荷预测、故障报警、售能运营五大功能板块。

第一，能源交互。能源交互场景包含整个综合能源系统“源、网、荷、储”的基本信息。“源”表示供能之源——综合能源站，平台中将能源总站、一级能源站和二级能源站的BIM模型在CIM场景中进行空间布局展示，为能源交互提供应用基础。“网”指的是整个新区综合能源系统由信息网和能源网两网串联，包含片区冷、热、电、气管道及电缆，平台将两网进行可视化展示，结合IoT技术对网络传输进行实时监测和动态诊断，确保两网状态的实时可视化反馈。“荷”是根据新区控规，按业态估算各个区域冷、热、电、气等用能指标，将指标数据与BIM模型进行可视化关联。“储”是结合用能负荷与预测算法，动态监测和计算各个区域蓄电和蓄冰的储能量，为多余的用能做储备。

第二，集中监控。平台采用虚实结合的方式，将每个能源站的视频监控与能源站BIM模型进行关联，可以从BIM模型中实时调取能源站所有的监控画面，并实现人脸识别、入侵报警、消防报警等功能；同时，可通过能源站BIM模型和自控物联传感器，实时以可视化的方式监测集中供冷系统、热水系统、循环冷却水系统、污水提升泵站等主要运行设备，方便能源管理者直观查看与查询。

第三，负荷预测。平台通过IoT技术，对各个区域冷、热、电、气等用能指标进行动态监测，结合大数据、云计算和预测算法，计算出未来各个片区用户冷、热、电、气等能源需求，从而对用能指标进行动态调整，向用户提供定制化能源服务。该模块支持多时间尺度负荷预测、支持最大最小负荷率等日特性分析、提供预测模拟对比。

第四，故障报警。平台实时获取能源站制冷机组、蓄冰装置、蓄冰池等主要能源设备、供冷管网、各楼层冷负荷与用冷设施的运行状态数据，采用机理建模、数据分析、人工智能等方法，根据设备运行状况或参数本身的变化趋势，在故障发生的早期或是潜在阶段，提前发现异常并发出故障预警，提醒运维人员进行系统巡检或修复，消除系统运行的潜在隐患。

第五，售能运营。该模块对能源站运营状态进行记录与分析。包含用户资料、合同管理、总售能量，详细反映能源站的能源销售及交易。该模块提供快速便捷的贸易结算、经济分析和资产管理能力。交易结算管理主要包括产品套餐管理、冷量计量计费、电量电费计算、账单审核和费用结算等功能。通过对用户能源网的大数据综合分析，可以为用户提供用能的经济性、安全性、可靠性分析评价，包括用冷分析、用电分析、可靠性分析、能效评价等。管理用户的档案、用能分析结果、用能服务过程等资料，与用户建立长效交互机制，为用户推送服务项目。

智慧综合能源服务平台是CIM基础平台与综合能源服务的有机融合，本质是对传统综合能源业务的改造升级，其价值主要体现在数据、应用和管理三方面：

第一，数据维度的升级。在通过CIM技术构建与物理世界映射的虚拟数字孪生场景中，时间也将升级为一种可度量的维度，与三维数字孪生空间共同构成虚拟的数字化四维空间。此空间中，时间也将被数字化，成为一种重要的数据，通过与空间数据、业务数据、IOT数据的融合，为它们打上“时间标签”，形成“数字记忆”，从而可对历史数据进行回溯，重新勾勒出综合能源站在规建管时期的“数字画像”；同时，结合实时感知数据，在空间中构建“可视神经系统”，使得数据的实时状态通过数字孪生场景中看得见的变化来直观反映，实现对传统数据的可视化升级。

第二，功能应用的升级。智慧综合能源服务平台的功能应用，本质上是对数据的深度应用。传统的信息化应用，主要对数据进行单维度的存储、呈现和计算，输出的计算结果也多为“半成品”数据，需要再经人为判断，才能辅助决策；通过CIM基础平台的三维功能应用，构建基于数字孪生模型的空间可视化数据底座，对综合能源服务数据进行空间维度的转换、存储、呈现后，数据将同时具有时间属性和空间属性，结合空间智能分析算法，输出的结果数据将会被赋予时间和空间信息，使其在“四维空间”中变得更为精确与客观，大大缩短了人为干预的过程，为能源站管理提供更精准的辅助研判和决策支持等功能应用升级，真正实现“智慧化服务”。

第三，管理方式的升级。不同于传统的信息化技术，CIM技术是一种前沿的数字化技术。传统的综合能源服务，多采用信息化的方式提升内部管理效率，但并不改变综合能源在生产、运输、消耗和存储环节的工作流程和管理方式。而CIM技术用数字化的方式重塑综合能源的全生命周期管理流程——将数字化应用贯穿综合能源的源网荷储全过程，通过数据底板打通部门壁垒和数据壁垒，实现跨部门的系统互通、数据互联，促进多源异构数据融合，结合智慧化的服务应用挖掘数据价值，将其保存至平台的“数字记忆库”中，经过不断推演、模拟和判断，倒逼对工作模式的创新和重塑，从而实现管理方式的全面升级。

本文研究了一种对现实实体进行数字化描述和表达的技术理论——城市信息模型（CIM），这种技术理论随着智慧城市、智慧园区建设的发展应运而生，是对BIM、GIS、IoT（物联网）等新一代数字技术的集成应用方法的创新和提升。以此理论为依托的CIM基础平台，已成为城市规划、建设、管理、运行工作的基础性操作平台，也是智慧城市的基础性、关键性和实体性信息基础设施［15］。本文对CIM技术集成进行了全面研究，在综合能源业务需求分析的基础上，提出了面向综合能源服务的CIM技术的应用基本理念、特色及相应的智慧综合能源运行管理模式，并基于CIM基础平台，设计开发了智慧综合能源服务平台，在某个实例中进行了应用探索。

同时，由于综合能源站涉及到数据种类庞杂和数据量大、应用系统较多、软硬件结合程度要求较高等特点，采用CIM技术对综合能源站进行规划、建设与管理，对基础设施和设备、现场网络条件等硬件设施有较高要求；此外，对于不同生命周期的数字孪生模型，不仅需要按照统一的数据结构和标准进行构建，对模型精细度的要求也有所不同，这些都一定程度上限制了CIM在综合能源站建设和管理过程中的发挥。

作为支撑城市空间治理的信息平台和基础设施，CIM本身就是新基建的一个重要构成，未来CIM的发展也将会更深入地参与到国家新基建的总布局中去。针对现有基础设施的智能化、未来智能技术的基础设施化，CIM可以和城市管理中各方面的业务实现全面有机融合，通过更深层的创新应用，实现涵盖能源、水务、交通、物流等多个城市基础设施的智能升级，助力城市业务发展，并为下一代信息基础设施提供新的平台、新的载体，促进经济创新发展，创造智慧的社会生活。