根據(jù)西門子的說法，數(shù)字孿生有四個關(guān)鍵組成部分：1）語義數(shù)據(jù)層，為邏輯表示和查詢構(gòu)建數(shù)據(jù)； 2) 以非專家系統(tǒng)用戶可以使用的方式可視化信息的能力； 3) 關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)以提供可導(dǎo)致結(jié)果的見解的能力； 4) 視覺 2D、3D 或點(diǎn)云表示。

在智能建筑領(lǐng)域，我們經(jīng)常聽到數(shù)字孿生的好處，它通過使用來自建筑環(huán)境的實(shí)時數(shù)據(jù)作為項(xiàng)目的虛擬表示來連接物理世界和數(shù)字世界。該技術(shù)可以讓業(yè)主和運(yùn)營商更好地了解他們的建筑性能，幫助他們快速發(fā)現(xiàn)問題、優(yōu)化效率、提高安全性和空間利用率，并模擬潛在的新智能建筑技術(shù)的影響。

雖然數(shù)字孿生技術(shù)可能看起來有點(diǎn)未來感，但它開始在智能建筑領(lǐng)域占據(jù)一席之地。建筑業(yè)主和運(yùn)營商可以從了解該概念的工作原理、其潛在優(yōu)勢以及采用的關(guān)鍵考慮因素中受益。

一個發(fā)展了幾十年的概念

數(shù)字孿生技術(shù)在制造業(yè)中得到認(rèn)可，是在本世紀(jì)初，時任數(shù)字孿生研究所(Digital twin Institute)執(zhí)行主任的邁克爾•格里夫斯(Michael Grieves)在密歇根大學(xué)(University of Michigan)的產(chǎn)品生命周期管理(PLM)課程中提出了這一概念。

“在這個概念被引入的時候，實(shí)際物理產(chǎn)品的數(shù)字表示還相對較新和不成熟。此外，在生產(chǎn)過程中，有關(guān)實(shí)物產(chǎn)品的信息收集是有限的，只能手工收集，而且大多是基于紙張。”Grieves 解釋說。 “在接下來的幾十年里，支持虛擬產(chǎn)品開發(fā)和維護(hù)以及實(shí)體產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的信息技術(shù)爆炸式增長。”

Michael Grieves 和 John Vickers 最初分別為 NASA 的阿波羅計(jì)劃概念化并命名了數(shù)字雙胞胎。

這個概念被與格里夫斯合作的美國宇航局的約翰維克斯稱為“Digital Twin，數(shù)字雙胞胎或數(shù)字孿生”。事實(shí)上，美國宇航局自20世紀(jì)60年代就開始實(shí)踐孿生的基本概念，當(dāng)時它在地面上復(fù)制了空間系統(tǒng)，以評估和模擬阿波羅13號上的條件?；谖锢硐到y(tǒng)的數(shù)字信息結(jié)構(gòu)可以作為實(shí)體來創(chuàng)建的思想，原始概念模型包含三個部分：真實(shí)空間中的物理產(chǎn)品；虛擬空間中的虛擬產(chǎn)品；以及將虛擬產(chǎn)品和真實(shí)產(chǎn)品聯(lián)系在一起的數(shù)據(jù)和信息的聯(lián)系。

技術(shù)的進(jìn)步使數(shù)字孿生的概念從物理表示演變?yōu)橥耆摂M的表示。但這仍然是行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者正在努力描述的一個相對難以捉摸的想法。

“數(shù)字孿生的概念從用于制造到建筑方面已經(jīng)走過了漫長的道路，但它仍然是一個行業(yè)笑話，如果你問五個人什么是數(shù)字孿生，你會得到七個不同的答案， ”美國西門子智能基礎(chǔ)設(shè)施解決方案工程經(jīng)理和數(shù)字企業(yè)企業(yè)解決方案架構(gòu)師 Kunal Chitre 說。 “今天，我們將數(shù)字孿生確定為具有四個關(guān)鍵組成部分：一個語義數(shù)據(jù)層，用于為邏輯表示和查詢構(gòu)建數(shù)據(jù)；以非專家系統(tǒng)用戶可以使用的方式可視化該信息的能力；關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)以提供可導(dǎo)致結(jié)果的見解的能力；以及視覺 2D、3D 或點(diǎn)云表示。”

一個常見的混淆點(diǎn)是數(shù)字孿生與建筑信息模型 (BIM) 之間的區(qū)別，這是另一種已有數(shù)十年歷史的技術(shù)。 BIM 不是為實(shí)現(xiàn)智能建筑性能提供一個活生生的模型，而是傾向于關(guān)注物理空間，并幫助建筑師和工程師完成設(shè)計(jì)-建造過程。今天，BIM 本身主要用于幫助促進(jìn)行業(yè)之間的協(xié)作、減少錯誤以及管理材料和預(yù)算——但這并不意味著它不是數(shù)字孿生的組成部分，或者數(shù)字孿生不能在施工期間使用。數(shù)字孿生聯(lián)盟是一個成員驅(qū)動的協(xié)作社區(qū)，致力于數(shù)字孿生的整體開發(fā)，甚至提供免費(fèi)的網(wǎng)絡(luò)研討會“從 BIM 到孿生”來區(qū)分概念并解釋它們的關(guān)系。

“BIM 是為視覺表示提供輸入的關(guān)鍵，這是數(shù)字孿生的主要組成部分之一，”Chitre 解釋說。“但它肯定不是唯一的部分。數(shù)字孿生也可以從施工階段開始使用。例如，我們可以模擬通過空間的氣流，以查看靜止和動態(tài)物體（如家具、隔板和人）對空氣交換率和空間溫度分布的影響?；蛘呶覀兛梢允褂迷摷夹g(shù)創(chuàng)建疏散“這可能表明需要將門設(shè)計(jì)得更寬，或者重新配置疏散路線。這里確實(shí)有數(shù)百個用例。”

根據(jù) Digital Twin Consortium 首席技術(shù)官 Dan Isaacs 的說法，數(shù)字孿生的創(chuàng)建還取決于對數(shù)字化轉(zhuǎn)型的認(rèn)識和采用程度。 “數(shù)字孿生是不同組件的組合，我們正在努力發(fā)布有關(guān)如何構(gòu)建它們的最佳實(shí)踐指南，”他說。 “一種整體方法是首先確定數(shù)字孿生被‘雇用’來執(zhí)行的工作。只有這樣，人們才能確定最合適的技術(shù)來滿足要求并了解創(chuàng)建數(shù)字孿生所需的數(shù)據(jù)特征和屬性。”

飛速發(fā)展新興趨勢和技術(shù)

COVID-19 大流行無疑是最近數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動因素。建筑業(yè)主和運(yùn)營商可以通過持續(xù)監(jiān)控和跟蹤運(yùn)動來評估傳播風(fēng)險(xiǎn)，借助數(shù)字孿生幫助確保建筑居住者的健康。該技術(shù)還可用于幫助管理人員計(jì)劃以安全的方式返回辦公室。 Markets and Markets 2020 年 9 月的全球預(yù)測預(yù)測數(shù)字孿生市場將從 2020 年的 31 億美元增長到 2026 年的 482 億美元（復(fù)合年增長率為 58%），特別指出由于 COVID-19 大流行醫(yī)療保健和制藥行業(yè)對數(shù)字孿生的需求不斷增長。

推動數(shù)字孿生技術(shù)的另一個全球性問題是氣候變化。 “我們的幾個成員積極參與氣候相關(guān)問題，并與業(yè)主和開發(fā)商合作，應(yīng)用數(shù)字孿生來提高效率和減少碳足跡，”Isaacs 說。 “我們還看到大學(xué)擁有的場所，特別是企業(yè)中心和生活實(shí)驗(yàn)室，推動了前進(jìn)的道路。我相信我們將看到創(chuàng)新區(qū)結(jié)合起來充當(dāng)微型智慧城市，使用數(shù)字孿生技術(shù)來解決氣候和醫(yī)療保健緊急情況。”

新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也在推動數(shù)字孿生技術(shù)的進(jìn)步。它們能夠收集和分析來自越來越多的 OT 和 IT 系統(tǒng)和傳感器的細(xì)粒度和可操作的建筑數(shù)據(jù)。Mind Commerce 2021 年 3 月的一份市場報(bào)告預(yù)測，到 2026 年，多達(dá) 91% 的物聯(lián)網(wǎng)平臺將包含某種形式的數(shù)字孿生功能。

Compass Intelligence 首席執(zhí)行官 Stephanie Atkinson 認(rèn)為，圍繞元宇宙的炒作將導(dǎo)致供應(yīng)商之間開展更多合作，并使用虛擬化技術(shù)，使數(shù)字孿生技術(shù)能夠提供接近現(xiàn)實(shí)的情境體驗(yàn)。

“雖然物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)導(dǎo)者一直在吹捧數(shù)字雙胞胎技術(shù)和用例，但我們?nèi)蕴幱诔跗陔A段，剛剛進(jìn)入早期采用階段。但這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)在正受到其他先進(jìn)技術(shù)的推動，例如 5G 連接、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、人工智能以及機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）和深度學(xué)習(xí)（DL），”總部設(shè)在德克薩斯州的領(lǐng)先的技術(shù)咨詢和市場研究公司 Compass Intelligence 創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Stephanie Atkinson說。 “現(xiàn)在隨著元宇宙[虛擬現(xiàn)實(shí)空間] 的全面炒作，我們將看到供應(yīng)商之間的更多合作以及虛擬化的使用，這將使數(shù)字孿生技術(shù)能夠提供與真實(shí)事物一樣接近情景的體驗(yàn)。”

Isaacs同意最近在現(xiàn)實(shí)捕捉和虛擬化領(lǐng)域的進(jìn)展已經(jīng)開始應(yīng)用到數(shù)字孿生技術(shù)。“我們也看到越來越多的人使用混合現(xiàn)實(shí)來展示數(shù)字雙胞胎的價(jià)值。未來的趨勢包括更多的自主操作，允許數(shù)字雙胞胎之間的交互和信息交換，這將通過Web 3.0區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)。”混合現(xiàn)實(shí)將虛擬世界和物理世界混合在一起，允許用戶與兩者的元素進(jìn)行交互。例如，設(shè)施經(jīng)理可能會在實(shí)際的物理空間中對建筑系統(tǒng)進(jìn)行更改，以體驗(yàn)其影響。

上述市場報(bào)告還發(fā)現(xiàn)，超過 95% 的供應(yīng)商認(rèn)識到需要應(yīng)用程序編程接口 (API) 來實(shí)現(xiàn)與數(shù)字孿生功能的平臺集成。西門子、微軟的 Azure 數(shù)字孿生和江森自控 OpenBlue 等數(shù)字孿生平臺即服務(wù) (PaaS) 提供商都主要由 API 驅(qū)動。 Mapped 和 Eclipse Ditto 等公司提供后端框架以簡化從連接的建筑系統(tǒng)和設(shè)備訪問數(shù)據(jù)以創(chuàng)建數(shù)字孿生，它們也可以利用 API。西門子的 Chitre 說：“所有協(xié)議都在多個級別上到位，除非數(shù)據(jù)來自非常傳統(tǒng)的系統(tǒng)并且需要更換，否則數(shù)據(jù)來自何處并不重要。” “通過強(qiáng)大的合作伙伴生態(tài)系統(tǒng)和 API 集成，我們能夠獲取數(shù)據(jù)并理解它。”

Chitre還指出，云計(jì)算是另一個關(guān)鍵驅(qū)動因素。他說:“在建筑工地和云之間的邊緣進(jìn)行了一些處理，數(shù)字孿生可以在本地虛擬機(jī)上運(yùn)行，在設(shè)計(jì)過程中提供實(shí)時模擬。”“但我們正在利用云的力量，通過語義標(biāo)記，并使用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來滿足用例，為結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)添加某種程度的感覺。假設(shè)一個設(shè)施經(jīng)理收到警報(bào)說大樓里出了問題。如果數(shù)據(jù)是有意義的，并且以一種允許機(jī)器查明根本原因的格式表示，那么潛在的問題就可以得到解決。這就是數(shù)字孿生的發(fā)展方式。”

未來前景

雖然數(shù)字孿生的采用仍處于早期階段，但其好處和用例顯示了巨大的潛力。許多專家認(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)是未來智能建筑的核心。

Atkinson說:“一個智能建筑數(shù)字孿生可以提供一個資產(chǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施、系統(tǒng)、運(yùn)營和技術(shù)的完整復(fù)制品。”“我們談?wù)摰氖请娞?、暖通空調(diào)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、門鎖、照明、運(yùn)動傳感器、攝像頭、窗戶、寬帶和WiFi。這樣的例子不勝枚舉。將所有這些資產(chǎn)復(fù)制到一個數(shù)字孿生中，可以讓建筑業(yè)主和運(yùn)營商測試他們需要、希望和預(yù)期發(fā)生的結(jié)果。”她解釋說，模擬可能會探索如果燈亮著，如果發(fā)生火災(zāi)，或者如果安全漏洞發(fā)生，會發(fā)生什么。“而且，”她補(bǔ)充道，“這一切都在不影響資產(chǎn)或建筑的情況下發(fā)生，提供了操縱、測試和模擬智能建筑解決方案的能力。”

與 BIM 文件不同，BIM 文件通常會在施工完成后擱置到下一次重大改造之前，數(shù)字孿生是一個活生生的實(shí)體，它使用實(shí)時或近實(shí)時信息持續(xù)更新，以持續(xù)了解日常運(yùn)營和居住者行為。因此，該技術(shù)對更廣泛的利益相關(guān)者更具有潛力。

西門子美國智能基礎(chǔ)設(shè)施公司(Siemens Smart Infrastructure USA)數(shù)字企業(yè)副總裁本•德懷爾(Ben Dwyer)表示:“有些開發(fā)商利用這項(xiàng)技術(shù)來吸引頂級租戶，但這主要是由租戶本身以及首席技術(shù)官和首席信息官與房地產(chǎn)的結(jié)合推動的。”“雖然目前40%到50%的參與是圍繞著減少能源消耗和為股東報(bào)告ESG目標(biāo)，但它當(dāng)然不限于效率和可持續(xù)性。它可以是人力資源主管，試圖優(yōu)化空間，改善員工的工作體驗(yàn)，或者決定如何配置一個空間，使其更安全。甚至可能是訪客和客人在使用這項(xiàng)技術(shù)。該技術(shù)適用于企業(yè)組織的每一個垂直領(lǐng)域和每一個層次。”

Atkinson同意幾乎每個市場都將從數(shù)字孿生中受益。 “有許多子行業(yè)非常適合數(shù)字孿生技術(shù)，包括公寓、商業(yè)辦公室、高層建筑、學(xué)校和大學(xué)、農(nóng)業(yè)、航空、制造業(yè)，甚至整個智慧城市，”她說。 “任何數(shù)字孿生用例，只要圍繞性能和資產(chǎn)監(jiān)控、操作感知、實(shí)時可見性和自動化提供了清晰的ROI，都適用于任何領(lǐng)域。”

采用挑戰(zhàn)和注意事項(xiàng)

一些早期采用者已經(jīng)在展示數(shù)字孿生功能。新加坡和上海使用數(shù)字孿生來改善能源消耗、交通流量和城市規(guī)劃。迪拜世博會將持續(xù)到 2022 年 3 月，它將被改造成 2020 年的未來混合用途智慧城市區(qū)。它正在使用數(shù)字孿生技術(shù)來確保可持續(xù)發(fā)展，并為其未來的公民提供一個清潔、安全和健康的環(huán)境。例如，愛沙尼亞塔林理工大學(xué)的研究人員正在為未來城市的虛擬“綠色孿生”添加動態(tài)植物生命，以確定城市植物群如何隨時間變化并影響城市生態(tài)系統(tǒng)，幫助城市規(guī)劃者了解他們需要在哪里添加更多的陰涼處或當(dāng)樹木落葉時秋風(fēng)會吹來的地方。

盡管有高價(jià)值的用例，但智能建筑的全 3D 虛擬實(shí)時表示對于業(yè)主和運(yùn)營商來說似乎有點(diǎn)令人生畏并且遙不可及。

“雖然擁有資金實(shí)力和房地產(chǎn)投資組合的客戶正在采用數(shù)字孿生解決方案，但這項(xiàng)技術(shù)和我們正在進(jìn)行的開發(fā)的美妙之處在于，那些沒有能力花很多錢但有遠(yuǎn)見的客戶仍然可以受益。”西門子的 Dwyer說。“也許他們不需要一個完整的3D解決方案，只是剛剛開始捕捉和分析數(shù)據(jù)。有很多唾手可得的東西可以馬上解決，我們可以從小事做起，享受小事帶來的好處。這讓客戶能夠見證其影響，獲得進(jìn)一步的支持，并隨著時間的推移制定出投資步驟，因此這是一個循序漸進(jìn)的過程，不會讓客戶傾盡所有。”

Compass Intelligence首席執(zhí)行官Atkinson同意從小處著手，尤其是已經(jīng)開始收集數(shù)據(jù)的智能建筑系統(tǒng)。所有收集和分析的數(shù)據(jù)都應(yīng)該有目的，她補(bǔ)充道:“并非所有ROI  都與成本節(jié)約或預(yù)算影響有關(guān)；有些可能與其他目標(biāo)相關(guān)聯(lián)，如減少安全隱患、改善租戶體驗(yàn)或預(yù)測性維護(hù)以避免設(shè)備故障。數(shù)據(jù)應(yīng)該是特定于用例的，并取決于構(gòu)建的類型、期望的結(jié)果或[其他]因素，如設(shè)備、軟件、平臺規(guī)格，以及數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)還是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。不管考慮的是哪種類型或級別的數(shù)字孿生產(chǎn)品和數(shù)據(jù)，供應(yīng)商都應(yīng)該能夠明確他們的解決方案的ROI，無論是定性的還是定量的，包括提供sla(服務(wù)水平協(xié)議)。”

然而，在智能建筑行業(yè)中，由于缺乏開放、實(shí)時和高質(zhì)量的、易于集成的可用格式的數(shù)據(jù)，以及缺乏數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)字孿生的廣泛應(yīng)用受到了挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)正在通過協(xié)會和合作伙伴關(guān)系來解決，如數(shù)字孿生聯(lián)盟，該聯(lián)盟正在努力開發(fā)開放的數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)并推動互操作性。

聯(lián)盟的Isaacs說:“要想讓數(shù)字孿生產(chǎn)品走在最前面，并增加可訪問性，就需要教育、降低價(jià)格以實(shí)現(xiàn)大眾化使用、降低適應(yīng)性和可重構(gòu)性，以及增加生態(tài)系統(tǒng)的協(xié)作。”“我們成員的新平臺和創(chuàng)新解決方案正在不斷試點(diǎn)和發(fā)布，以解決這些和其他相關(guān)領(lǐng)域的問題。”

在研發(fā)方面投入大量精力的解決方案提供商，如西門子，對數(shù)字孿生技術(shù)的未來持樂觀態(tài)度。Chitre表示:“我們正在全球部署多種語言的數(shù)字孿生，所以你可以想象我們付出的努力有多大。”“但并不是每個用例都適用于一個平臺——有多個數(shù)字孿生用于不同的系統(tǒng)，但隨著技術(shù)的發(fā)展，融合到一個單一的平臺將會改善。”它可能是壓倒性的。但如果你有一個傳感器，可以給你數(shù)據(jù)，可能性是無限的。”