數(shù)字孿生是未來智能建筑的新生命線。

什么是數(shù)字孿生

Digital Twin數(shù)字孿生通過使用傳感器收集有關物理項目的實時數(shù)據(jù)，充當物理世界和數(shù)字世界之間的橋梁。然后，這些數(shù)據(jù)將用于創(chuàng)建項目的副本，從而使其能夠被理解，操縱或優(yōu)化。盡管數(shù)字孿生的概念自2002年以來就已經(jīng)存在，但是僅由于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的實現(xiàn)，它才變得具有成本效益。用于描述類似技術的其他術語包括虛擬原型，混合雙胞胎技術，虛擬雙胞胎和數(shù)字資產(chǎn)管理。

比如，城市中的實體道路與導航軟件中的虛擬道路就是一對“數(shù)字孿生”；在電腦中的word文檔與打印出來的紙質(zhì)文檔就是一對“數(shù)字孿生”。如此延伸下去，這樣的實體物可以拓展到任何實物上，小到一顆螺絲，大到人體、城市、地球，甚至是整個宇宙（如果有那么大的數(shù)據(jù)能力的話），都可以產(chǎn)生對應的“數(shù)字孿生”對應的虛擬（信息）體。簡而言之，數(shù)字孿生是流程，產(chǎn)品或服務的虛擬模型。虛擬世界和物理世界的這種配對允許對數(shù)據(jù)進行分析和對系統(tǒng)進行監(jiān)視，以在問題發(fā)生之前就及時解決，防止停機，開發(fā)新機會，甚至通過使用仿真來計劃未來。

業(yè)界廣泛認為，數(shù)字孿生（Digital Twin）這一概念最早追溯到Michael Grieves教授2002年在密歇根大學PLM（產(chǎn)品生命周期管理）中心對產(chǎn)業(yè)界做的一次演講。2014年，Michael Grieves在其撰寫的“Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication”（數(shù)字孿生：通過虛擬工廠復制實現(xiàn)卓越制造）白皮書中進行了詳細的闡述。他認為通過物理設備的數(shù)據(jù)，可以在虛擬（信息）空間構(gòu)建一個可以表征該物理設備的虛擬實體和子系統(tǒng)，并且這種聯(lián)系不是單向和靜態(tài)的，而是在整個產(chǎn)品的生命周期中都聯(lián)系在一起。

數(shù)字孿生之所以受到關注，是因為它們還集成了人工智能（AI）和機器學習（ML）之類的東西，以將數(shù)據(jù)，算法和上下文結(jié)合在一起，從而使組織能夠測試新想法，在問題發(fā)生之前發(fā)現(xiàn)問題并進行遠程監(jiān)控。傳統(tǒng)上，數(shù)字孿生被用來改善諸如風力渦輪機或噴氣發(fā)動機的單一資產(chǎn)的性能。但是，近年來，數(shù)字孿生變得更加復雜，不僅連接了一種資產(chǎn)，而且連接了資產(chǎn)系統(tǒng)，甚至整個組織。IoT技術的擴展在很大程度上已實現(xiàn)了這一目標。

隨著數(shù)字孿生變得越來越復雜-將多種資產(chǎn)聚集在一起，并將其與有關流程和人員的信息結(jié)合在一起，它們幫助解決復雜問題的能力也在提高。在辦公樓，醫(yī)院，學校，制造設施等已建成環(huán)境中，此應用程序可以成為游戲規(guī)則改變者。

數(shù)字孿生有四個關鍵組成部分：

（1）數(shù)據(jù)（例如建筑系統(tǒng)，外部數(shù)據(jù)和藍圖數(shù)據(jù)）

（2）推理（例如AI / ML模型或非線性規(guī)則）

（3）關鍵績效指標（例如效率，排放，凈營業(yè)收入和安全指標）

（4）上下文（例如乘員行為，系統(tǒng)/設備行為和工作流程）

只有以有意義的方式映射了這四個關鍵組成部分，企業(yè)或組織才會擁有真正的數(shù)字孿生系統(tǒng)。

數(shù)字孿生如何使智能建筑變得更加智能

數(shù)字孿生已經(jīng)在組織層面上對商業(yè)房地產(chǎn)建筑產(chǎn)生了巨大影響。尤其是，數(shù)字孿生使建筑運營商可以將以前未連接的系統(tǒng)（從安全性到HVAC到尋路系統(tǒng)）整合在一起，以獲得新的見解，優(yōu)化工作流程并遠程監(jiān)控流程。

它們還可以使居住者對自己的工作區(qū)和環(huán)境條件有更多的控制權(quán)，從而增強了租戶的體驗。通過優(yōu)化系統(tǒng)并連接人員，業(yè)主和運營商可以使用數(shù)字雙胞胎來降低成本，避免未來成本，提高入住率并提高整體資產(chǎn)價值。據(jù)測算，數(shù)字孿生可以將某些建筑物的運營成本每年降低每平方米52元人民幣。

在其他用例（例如，智能醫(yī)院）中也是如此。通過創(chuàng)建醫(yī)院的數(shù)字孿生，醫(yī)院管理員，醫(yī)生和護士可以對患者的健康狀況和工作流程獲得強大的實時洞察力。通過使用傳感器監(jiān)視患者并協(xié)調(diào)設備和人員，數(shù)字孿生提供了一種更好的方法來分析過程，并在需要立即采取行動時在適當?shù)臅r間提醒適當?shù)娜藛T。

英國制造業(yè)研究所（The Institute for Manufacturing）在西劍橋開展了一個項目，該項目由Ajith Parlikad博士領導，目的是開發(fā)劍橋大學制造學院（IfM）的動態(tài)數(shù)字孿生子，以及更廣闊的西劍橋校園，以展示其對設施的影響管理，生產(chǎn)力和福祉。最終為英國開發(fā)“國家數(shù)字孿生網(wǎng)絡”的野心提供支持。具體細分目標表現(xiàn)為：

• 演示數(shù)字建模以及基礎架構(gòu)性能和使用分析對組織生產(chǎn)力的影響。
• 為整合城市規(guī)模數(shù)據(jù)以優(yōu)化服務（例如電力，廢物管理和運輸）提供基礎，并了解對更廣泛的社會和經(jīng)濟成果的影響。
• 為研究人員建立“研究能力平臺”，以了解和應對大規(guī)模實施數(shù)字技術方面的主要挑戰(zhàn)。
• 培養(yǎng)對開發(fā)新穎的應用程序以改善基礎結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的管理和使用感興趣的研究社區(qū)。

數(shù)字孿生與建筑信息模型（BIM）

Digital Twin與BIM（建筑信息模型）軟件之間存在一些關鍵相似之處。簡單地講，BIM專注于建筑物的設計和建造，Digital Twin可以模擬人們?nèi)绾闻c建筑環(huán)境互動。具體而言，數(shù)字孿生與建筑信息模型之間存在著以下差異：

1.BIM用于設計和施工

BIM在設計和建造過程中（而非運營和維護）進行了協(xié)作和可視化調(diào)整。BIM的目的不是創(chuàng)建可運行建筑物的活的模型，而是幫助建筑師和建造建筑物。

BIM軟件的重點是創(chuàng)建可可視化建筑物物理和功能方面的協(xié)作設計和建造過程。在新建筑的設計和原型制作階段中進行可視化對于AEC理解空間關系至關重要。與Digital Twin不同，此物理信息模型針對運行中的建筑物進行了調(diào)整，而不是針對每天占用和使用的建筑物進行調(diào)整。

2. BIM不是為實時操作響應而設計的

數(shù)字孿生很快被公認為建筑物技術堆棧中最有價值的部分–它實時地全面反映了您所構(gòu)建的環(huán)境。一個數(shù)字孿生可以給你關于構(gòu)建子系統(tǒng)的當前狀態(tài)，他們是如何被居住者行為的影響時，像HVAC或照明資產(chǎn)的運行情況。該模型會隨著時間的推移而發(fā)展，以在資產(chǎn)生命周期的每個新階段提供更多價值。BIM是任何Digital Twin的關鍵數(shù)據(jù)輸入，但是僅BIM不能回答設施經(jīng)理可能對優(yōu)化運營提出的運營問題。

3. BIM專注于建筑物，而不是人

數(shù)字孿生的下一個發(fā)展將看到用例將不僅限于資產(chǎn)，還包括整個組織或組織的數(shù)字孿生（DTO）。這意味著人員、過程和行為也將是重要的數(shù)據(jù)源，這些數(shù)據(jù)將為 Digital Twins提供有關已構(gòu)建環(huán)境的更多上下文。

數(shù)字孿生的意義

數(shù)字孿生技術是Gartner公司在2017年評選的十大戰(zhàn)略技術趨勢之一。數(shù)字孿生概念代表了物理世界和虛擬世界的融合，每個工業(yè)產(chǎn)品都將獲得動態(tài)的數(shù)字表示。從設計階段到部署階段的整個產(chǎn)品開發(fā)生命周期中，組織都可以擁有完整的產(chǎn)品數(shù)字足跡。這些“連接的數(shù)字事物”實時生成數(shù)據(jù)，這可以幫助企業(yè)更好地提前分析和預測問題或給出預警，預防停機，開發(fā)新機會，甚至通過使用仿真以更低的成本為將來計劃更好的產(chǎn)品。所有這些都會對提供更好的客戶業(yè)務體驗產(chǎn)生更大的影響。融合了大數(shù)據(jù)，人工智能（AI），機器學習（ML）和物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字孿生技術是工業(yè)4.0的關鍵，主要用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，工程和制造業(yè)務領域。物聯(lián)網(wǎng)的廣泛覆蓋和使用已使Digital Twins具有更高的成本效益和商業(yè)領域的可訪問性。

作為最早涉足配對技術（當今數(shù)字孿生的先驅(qū)）的人，NASA是對數(shù)字孿生的意義和應用理解最為透徹也最受益的機構(gòu)。“數(shù)字孿生的最終愿景是在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建、測試和構(gòu)建我們的設備，”NASA領先的制造專家兼NASA國家高級制造中心經(jīng)理John Vickers說。“只有在達到要求的性能時，我們才進行物理制造。然后，我們希望該物理建筑物通過傳感器綁定到其數(shù)字孿生子，以便該數(shù)字孿生子包含通過檢查物理建筑物可能擁有的所有信息。”

數(shù)字孿生的應用

通過實施數(shù)字孿生，組織可以更好地了解產(chǎn)品性能，改善客戶服務并基于這些見解做出更好的運營和戰(zhàn)略決策。我們已經(jīng)開始看到數(shù)字孿生在以下領域的主要應用。

• 制造業(yè)：數(shù)字孿生對產(chǎn)品的設計制造和維護方式具有重大影響。它使制造更加高效和優(yōu)化，同時減少了生產(chǎn)時間。
• 汽車：可用于汽車領域，以創(chuàng)建互聯(lián)車輛的虛擬模型。它捕獲車輛的行為和操作數(shù)據(jù)，并有助于分析車輛的整體性能以及所連接的功能。它還有助于為客戶提供真正的個性化/定制服務。
• 零售：吸引客戶體驗是零售領域的關鍵。數(shù)字孿生實施可以在增強零售客戶體驗方面發(fā)揮關鍵作用。還可以進行更好的店面計劃，安全實施和能源管理。
• 醫(yī)療保?。簲?shù)字孿生與來自物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)可以在醫(yī)療保健領域發(fā)揮關鍵作用，從節(jié)省成本到患者監(jiān)控，預防性維護以及提供個性化醫(yī)療保健。
• 智慧城市：智慧城市的規(guī)劃和實施以及數(shù)字孿生和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)有助于促進經(jīng)濟發(fā)展，有效管理資源，減少生態(tài)足跡并提高公民的整體生活質(zhì)量。通過獲取各種傳感器網(wǎng)絡和智能系統(tǒng)的見解，數(shù)字孿生模型可以幫助城市規(guī)劃者和決策者進行智能城市規(guī)劃。來自數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)也有助于他們就未來做出明智的決定。
• 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)：實施數(shù)字孿生的工業(yè)公司現(xiàn)在可以以數(shù)字方式監(jiān)視、跟蹤和控制工業(yè)系統(tǒng)。除了運營數(shù)據(jù)外，數(shù)字孿生還捕獲環(huán)境數(shù)據(jù)，例如位置、配置、財務模型等，有助于預測未來的運營和異常情況。

數(shù)字孿生在中國

在中國，探索數(shù)字孿生技術對于城市治理、工業(yè)制造等領域的應用和價值的機構(gòu)和活動百花齊放。以 BIM、CIM(City Information Model)、VR/AR、AI 等先進技術為主攻方向的科技公司發(fā)力“數(shù)字孿生”方案研發(fā)。

不僅停留在探討階段，艾三維技術已經(jīng)在率先推進數(shù)字孿生城市建設。堅持數(shù)字城市與現(xiàn)實城市同步規(guī)劃、同步建設，打造具有深度學習能力、全球領先的數(shù)字城市。