Разработка онтологий для цифрового двойника зданий
О.Ю. Марьясин
Ярославский государственный технический университет, Ярославль, Россия
Аннотация
Рассматривается разработка онтологических моделей для цифрового двойника зданий. Предлагаемая в статье архитектура цифрового двойника здания включает целый комплекс моделей, среди которых одну из главных ролей играют онтологии. Комплекс онтологий цифрового двойника включает: онтологию информационной модели здания, онтологию энергомодели, онтологию инженерных систем здания, онтологию компьютерных моделей здания, онтологию автоматизированной системы управления зданием и другие. В результате работы был создан набор независимых базовых онтологий, пригодных для повторного использования. Приведены примеры описания классов базовых онтологий и отношений между ними. Модульный принцип построения значительно облегчает создание онтологий цифрового двойника, имеющих пересекающиеся множества понятий и отношений из их предметной области. Используя набор базовых онтологий, можно создать онтологии, необходимые для функционирования цифрового двойника здания. Приводится пример построения онтологии автоматизированной системы управления зданием. Новым является детальная проработка онтологий по сравнению с известными онтологиями, заключающаяся в добавлении новых необходимых классов, подклассов и отношений. Это значительно расширяет возможности описания предметной области. Применение онтологий значительно облегчает обмен данными между встроенными моделями и служебными программами цифрового двойника, а также между цифровым двойником и людьми или внешними программами.
Ключевые слова: информационная модель здания, энергомодель, цифровой двойник, семантическая паутина, онтология, Protйgй.
Abstract
DESIGN OF ONTOLOGIES FOR THE DIGITAL TWIN OF BUILDINGS
O.Yu. Maryasin
Yaroslavl State Technical University, Yaroslavl, Russia
The article describes the design of ontological models for the digital twin of buildings. The architecture of the digital twin of buildings proposed in the article includes a whole complex of models, among which ontologies play one of the main roles. The set of digital twin ontologies includes: ontology of the building information model, ontology of the energy model, ontology of building engineering systems, ontology of building computer models, ontology of the building management system and others. As a result of the work, a whole set of independent basic ontologies was created, suitable for reuse. The paper describes the classes of basic ontologies and their inter-class relations. The modular construction principle greatly facilitates the creation of digital twin ontologies that have intersecting sets of concepts and relationships from their subject area. Using a set of basic ontologies, it is possible to create the ontologies necessary for the functioning of the digital twin of buildings. The article provides an example of design of ontology of an automated building management system. The paper's novelty is in the detailed description of ontologies compared to well-known ontologies, having new necessary classes, subclasses, and relationships added. This greatly expands the scope of the description of the subject area. Ontologies significantly facilitate data exchange between the embedded models and the service programs of the digital twin, as well as between the digital twin and users or external software.
Key words: building information model, energy model, digital twin, semantic web, ontology, Protйgй.
Введение
Проект «Умный город», включённый в программу «Цифровая экономика Российской Федерации», предполагает применение современных IT-решений в части формирования комфортной городской среды, жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), градостроительства, безопасности, управления транспортными и пешеходными потоками. Инновационные технологии «Умного города» способны обеспечить принципиальное повышение качества жизни в городах, что особенно важно для небольших городов. Новые технологии позволяют делать города удобными, привлекательными для жизни за счёт цифровой трансформации [1].
«Умный город» включает «Умное ЖКХ», которое, в свою очередь, состоит из «Интеллектуальных зданий» и «Умных домов». «Интеллектуальное здание» может быть определено как здание и его инфраструктура, предоставляющие жителям среду для обитания, которая является гибкой, эффективной, удобной и безопасной благодаря использованию интегрированных в здание технологических систем, средств коммуникации и контроля. Интеллектуальный строительный институт (TheIntelligentBuildingInstitute,США) определил «Интеллектуальное здание» как энергетически и экономически эффективную среду, основанную на оптимизации элементов здания - конструкций, инженерных систем, систем обслуживания и управления - и на обеспечении взаимосвязи между этими элементами [2].
1. Описание предметной области
Для чёткого понимания рассматриваемой предметной области (ПрО) необходимо отметить отличия между системами «Умный дом», «Интеллектуальное здание», системами автоматизации зданий (Building Automation System - BAS),автоматизированными системами управления зданиями (Building Management System - BMS)и системами управления энергопотреблением (Building Energy Management System - BEMS).Между этими системами есть много общего. Термины BASи BMSможно считать эквивалентными. BEMSсистемы подобны BMS,но больше ориентированы на энергосбережение и управление энергопотреблением. Термин «Умный дом» в отличие от термина «Интеллектуальное здание» чаще используется применительно к системам автоматизации в жилом секторе.
В настоящее время при построении «Интеллектуального здания» и управлении его инженерным оборудованием используется ряд перспективных цифровых технологий. Среди них: цифровое строительство (Digital Construction),«Интернет вещей» (Internet ofThings- IoT),облачные технологии (CloudServices).Цифровизация строительства предполагает автоматизацию всех стадий и процедур на всём жизненном цикле (ЖЦ) объекта. Основой цифрового строительства стало развитие технологии информационного моделирования зданий (BuildingInformationModel- BIM). BIM -это подход к проектированию, возведению, оснащению, обеспечению эксплуатации и ремонту здания, который предполагает сбор и комплексную обработку в процессе проектирования всей архитектурно-конструкторской, технологической, экономической и иной информации о здании со всеми её взаимосвязями и зависимостями, когда здание и всё, что имеет к нему отношение, рассматриваются как единый объект. Информационная модель - это ценный источник информации на протяжении всего ЖЦ здания: от предварительной концепции, проекта, строительства и монтажа инженерных систем здания до управления и технического обслуживания объектов [3].
Следующий шаг в цифровом строительстве - создание цифровых двойников зданий (Digital Twin).Цифровым двойником называют виртуальную модель, которая на микро- и макроуровне либо описывает реально существующий объект (выступая как дубль готового конкретного изделия), либо служит прототипом будущего объекта. При этом любая информация, которая может быть получена при тестировании физического объекта, должна быть получена и на базе тестирования его цифрового двойника. В концепции цифрового двойника виртуальная модель созданного материального объекта используется в связке с физическим на протяжении всего ЖЦ: на этапе тестирования, доработки, эксплуатации и утилизации. Физический объект использует датчики, которые собирают данные о состоянии объекта в реальном времени, после чего эти сведения отправляются цифровому двойнику. На основе полученных данных уточняется цифровая модель, которая, в свою очередь, даёт рекомендации по оптимизации режима эксплуатации и обслуживания реального объекта [4].
Проблемы сохранения окружающей среды и снижения коммунальных платежей требуют выполнения мер по энергосбережению и повышению энергетической эффективности при проектировании зданий. В то же время необходимо гарантировать комфортную и здоровую среду в помещениях. Всё это создаёт благоприятные условия для более широкого использования моделирования энергопотребления зданий (BEM- BuildingEnergyModeling).
Энергомоделирование в России, как и во многих других странах, пока является добровольным делом, если только не нужно сертифицировать здание на соответствие «зелёным» стандартам, таким как GreenZoom[5]. Однако при проектировании систем отопления, вентиляции и кондиционирования (HVAC- Heating, Ventilation, &AirConditioning) приходится выполнять расчёты, связанные с теплообменом, обеспечением качества воздуха в помещениях и энергосбережением.
Сложность строительной инфраструктуры, связанная с множеством различных типов зданий, высокие требования к исполнению и эксплуатации инженерных сетей зданий приводят к тому, что при их проектировании необходимо обеспечить междисциплинарное взаимодействие между различными системами здания для выполнения комплексных расчётов и моделирования. Данные о конструкции и материалах здания из BIMдолжны использоваться для проведения энергомоделирования в BEM,а построенные там модели использоваться при проектировании HVACсистем. Данные о моделях и HVACоборудовании используются при синтезе системы управления зданием, потом вместе с данными о системе управления при проектировании информационной сети здания и других систем. При этом, большинство операций по передаче данных осуществляются вручную при отсутствии общепринятых форматов передачи информации между многими системами.
Доступ к данным важен не только на этапе проектирования, но и на других этапах ЖЦ здания, таких как строительство, логистика, эксплуатация и реконструкция. При этом для повышения эффективности и удобства работы с информацией необходимо обеспечить, чтобы нужные данные были доступны постоянно и откуда угодно. Для этого необходимо организовать круглосуточный доступ к информации через Интернет.
Технологии семантической паутины (SemanticWeb),связанных данных (LinkedData)или связанных открытых данных (LinkedOpenData- LOD) [6] позволяют решить указанные проблемы и являются одним из эффективных способов обеспечения интероперабельности между различными системами. При этом базовую роль в стеке технологий семантической паутины играют онтологии. Использование онтологий облегчает совместное использование информации между различными системами, между людьми и программами или между программными агентами, позволяет выполнить отделение знаний в ПрО от оперативных знаний, контролировать целостность и непротиворечивость данных. Онтологии, в отличие от простого обмена данными с помощью форматов XMLи JSON,могут определять не только синтаксис, но и семантику передаваемых данных. Для кодирования онтологий применяются языки RDFи OWL.
2. Архитектура цифрового двойника здания
В настоящее время концепция цифрового двойника здания ещё только прорабатывается. Автор предлагает свой взгляд на эту концепцию, в соответствии с которым архитектура цифрового двойника здания имеет вид, показанный на рисунке 1. Данная архитектура основана на разработанной в Институте проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук архитектуре цифровых двойников энергетических объектов [7].
Рисунок 1 - Архитектура цифрового двойника здания
Цифровой двойник здания должен удовлетворять следующим основным требованиям:
¦ включать детальную информацию о конструкции здания, материалах, размерах и т.д. на уровне CAD-документации и BIM-модели;
¦ охватывать все основные инженерные подсистемы здания;
¦ иметь общий словарь терминов для использования людьми и программными агентами;
¦ иметь связь с BEMсистемами или иметь реализацию функций BEM;
¦ иметь развитые математические возможности, векторно-матричные операции, решение систем дифференциальных уравнений, возможность свободного программирования, создания новых объектов и компонентов, возможность дискретно-событийного, агентного и имитационного моделирования;
¦ иметь возможность реализации в «облаке»;
¦ иметь поддержку открытых интерфейсов и протоколов связи с BMS,системами мониторинга и IoT;
¦ иметь поддержку Web-сервисов;
¦ иметь графический интерфейс пользователя, Web-интерфейс;
включать развитые средства визуализации, в том числе трехмерной; включать функции параметрической оптимизации, функции анализа данных с использованием статистических и кибернетических методов.
Решения с использованием цифровых двойников строятся на комплексе технологий. Комплекс моделей цифрового двойника зданий включает:
¦ CAD-и BIM-модели, которые содержат информацию о конструкции здания, информацию о материалах, размерах и прочих параметрах;
¦ математические и компьютерные модели, включающие энергомодель здания, модели инженерных систем и систем управления, имитационную модель функционирования здания;
¦ онтологические модели, содержащие информацию об основных объектах здания и его инженерных систем, базу знаний (БЗ) и машину вывода;
¦ базу данных (БД) и инструментальное программное обеспечение (ПО).
CAD-и BIM-модели составляют ядро цифрового двойника здания. Математические и компьютерные модели позволяют проводить анализ и оптимизацию параметров здания или его энергопотребления на стадиях проектирования и эксплуатации. Онтологии помогают организовать взаимодействие между компонентами цифрового двойника и обмен информацией между цифровым двойником и внешними системами с помощью технологий семантической паутины и связанных данных. Например, различные потребители информации, компьютерные модели, люди или внешние сервисы могут получать данные из онтологий, в том числе, через сеть Интернет с помощью SPARQLзапросов. БЗ является отдельным компонентом цифрового двойника. БЗ содержит набор фактов и продукционных правил. Она предназначена для реализации экспертных систем продукционного типа, которые помогают осуществлять принятие решений и реализовать ситуационное управление [8]. БД используются для хранения массивов оперативных данных и данных, связанных с предыдущими периодами работы цифрового двойника. Инструментальные средства применяются для решения задач сопровождения цифрового двойника, а также вместе с БД используются для связи с внешними системами, такими как BMS,системы мониторинга и IoT.
Следует отметить степень готовности различных компонентов и технологий цифрового двойника к настоящему моменту времени. CAD-и BIM-модели разрабатываются и передаются в цифровой двойник архитекторами и проектировщиками. Различные математические и компьютерные модели цифрового двойника должны быть тесно связаны между собой. Подходы к созданию таких модельных комплексов ещё только формируются. Например, можно отметить интегрированный программный комплекс [9] для моделирования функционирования здания, включающий все перечисленные виды моделей. Такие компоненты цифрового двойника как онтологии и БЗ ещё только начинают создаваться и исследоваться. Пример онтологии для цифрового двойника здания представлен в данной статье. БД и инструментальное ПО зависят от реализации других компонентов цифрового двойника и используемой программной платформы. Создание их это дело ближайшего будущего.