智能建筑的核心，数字孪生技术

数字孪生是未来智能建筑的新生命线。

什么是数字孪生

Digital Twin数字孪生通过使用传感器收集有关物理项目的实时数据，充当物理世界和数字世界之间的桥梁。然后，这些数据将用于创建项目的副本，从而使其能够被理解，操纵或优化。尽管数字孪生的概念自2002年以来就已经存在，但是仅由于物联网（IoT）的实现，它才变得具有成本效益。用于描述类似技术的其他术语包括虚拟原型，混合双胞胎技术，虚拟双胞胎和数字资产管理。

比如，城市中的实体道路与导航软件中的虚拟道路就是一对“数字孪生”；在电脑中的word文档与打印出来的纸质文档就是一对“数字孪生”。如此延伸下去，这样的实体物可以拓展到任何实物上，小到一颗螺丝，大到人体、城市、地球，甚至是整个宇宙（如果有那么大的数据能力的话），都可以产生对应的“数字孪生”对应的虚拟（信息）体。简而言之，数字孪生是流程，产品或服务的虚拟模型。虚拟世界和物理世界的这种配对允许对数据进行分析和对系统进行监视，以在问题发生之前就及时解决，防止停机，开发新机会，甚至通过使用仿真来计划未来。

业界广泛认为，数字孪生（Digital Twin）这一概念最早追溯到Michael Grieves教授2002年在密歇根大学PLM（产品生命周期管理）中心对产业界做的一次演讲。2014年，Michael Grieves在其撰写的“Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication”（数字孪生：通过虚拟工厂复制实现卓越制造）白皮书中进行了详细的阐述。他认为通过物理设备的数据，可以在虚拟（信息）空间构建一个可以表征该物理设备的虚拟实体和子系统，并且这种联系不是单向和静态的，而是在整个产品的生命周期中都联系在一起。

数字孪生之所以受到关注，是因为它们还集成了人工智能（AI）和机器学习（ML）之类的东西，以将数据，算法和上下文结合在一起，从而使组织能够测试新想法，在问题发生之前发现问题并进行远程监控。传统上，数字孪生被用来改善诸如风力涡轮机或喷气发动机的单一资产的性能。但是，近年来，数字孪生变得更加复杂，不仅连接了一种资产，而且连接了资产系统，甚至整个组织。IoT技术的扩展在很大程度上已实现了这一目标。

随着数字孪生变得越来越复杂-将多种资产聚集在一起，并将其与有关流程和人员的信息结合在一起，它们帮助解决复杂问题的能力也在提高。在办公楼，医院，学校，制造设施等已建成环境中，此应用程序可以成为游戏规则改变者。

数字孪生有四个关键组成部分：

（1）数据（例如建筑系统，外部数据和蓝图数据）

（2）推理（例如AI / ML模型或非线性规则）

（3）关键绩效指标（例如效率，排放，净营业收入和安全指标）

（4）上下文（例如乘员行为，系统/设备行为和工作流程）

只有以有意义的方式映射了这四个关键组成部分，企业或组织才会拥有真正的数字孪生系统。

数字孪生如何使智能建筑变得更加智能

数字孪生已经在组织层面上对商业房地产建筑产生了巨大影响。尤其是，数字孪生使建筑运营商可以将以前未连接的系统（从安全性到HVAC到寻路系统）整合在一起，以获得新的见解，优化工作流程并远程监控流程。

它们还可以使居住者对自己的工作区和环境条件有更多的控制权，从而增强了租户的体验。通过优化系统并连接人员，业主和运营商可以使用数字双胞胎来降低成本，避免未来成本，提高入住率并提高整体资产价值。据测算，数字孪生可以将某些建筑物的运营成本每年降低每平方米52元人民币。

在其他用例（例如，智能医院）中也是如此。通过创建医院的数字孪生，医院管理员，医生和护士可以对患者的健康状况和工作流程获得强大的实时洞察力。通过使用传感器监视患者并协调设备和人员，数字孪生提供了一种更好的方法来分析过程，并在需要立即采取行动时在适当的时间提醒适当的人员。

英国制造业研究所（The Institute for Manufacturing）在西剑桥开展了一个项目，该项目由Ajith Parlikad博士领导，目的是开发剑桥大学制造学院（IfM）的动态数字孪生子，以及更广阔的西剑桥校园，以展示其对设施的影响管理，生产力和福祉。最终为英国开发“国家数字孪生网络”的野心提供支持。具体细分目标表现为：

• 演示数字建模以及基础架构性能和使用分析对组织生产力的影响。
• 为整合城市规模数据以优化服务（例如电力，废物管理和运输）提供基础，并了解对更广泛的社会和经济成果的影响。
• 为研究人员建立“研究能力平台”，以了解和应对大规模实施数字技术方面的主要挑战。
• 培养对开发新颖的应用程序以改善基础结构系统的管理和使用感兴趣的研究社区。

数字孪生与建筑信息模型（BIM）

Digital Twin与BIM（建筑信息模型）软件之间存在一些关键相似之处。简单地讲，BIM专注于建筑物的设计和建造，Digital Twin可以模拟人们如何与建筑环境互动。具体而言，数字孪生与建筑信息模型之间存在着以下差异：

1.BIM用于设计和施工

BIM在设计和建造过程中（而非运营和维护）进行了协作和可视化调整。BIM的目的不是创建可运行建筑物的活的模型，而是帮助建筑师和建造建筑物。

BIM软件的重点是创建可可视化建筑物物理和功能方面的协作设计和建造过程。在新建筑的设计和原型制作阶段中进行可视化对于AEC理解空间关系至关重要。与Digital Twin不同，此物理信息模型针对运行中的建筑物进行了调整，而不是针对每天占用和使用的建筑物进行调整。

2. BIM不是为实时操作响应而设计的

数字孪生很快被公认为建筑物技术堆栈中最有价值的部分–它实时地全面反映了您所构建的环境。一个数字孪生可以给你关于构建子系统的当前状态，他们是如何被居住者行为的影响时，像HVAC或照明资产的运行情况。该模型会随着时间的推移而发展，以在资产生命周期的每个新阶段提供更多价值。BIM是任何Digital Twin的关键数据输入，但是仅BIM不能回答设施经理可能对优化运营提出的运营问题。

3. BIM专注于建筑物，而不是人

数字孪生的下一个发展将看到用例将不仅限于资产，还包括整个组织或组织的数字孪生（DTO）。这意味着人员、过程和行为也将是重要的数据源，这些数据将为 Digital Twins提供有关已构建环境的更多上下文。

数字孪生的意义

数字孪生技术是Gartner公司在2017年评选的十大战略技术趋势之一。数字孪生概念代表了物理世界和虚拟世界的融合，每个工业产品都将获得动态的数字表示。从设计阶段到部署阶段的整个产品开发生命周期中，组织都可以拥有完整的产品数字足迹。这些“连接的数字事物”实时生成数据，这可以帮助企业更好地提前分析和预测问题或给出预警，预防停机，开发新机会，甚至通过使用仿真以更低的成本为将来计划更好的产品。所有这些都会对提供更好的客户业务体验产生更大的影响。融合了大数据，人工智能（AI），机器学习（ML）和物联网的数字孪生技术是工业4.0的关键，主要用于工业物联网，工程和制造业务领域。物联网的广泛覆盖和使用已使Digital Twins具有更高的成本效益和商业领域的可访问性。

作为最早涉足配对技术（当今数字孪生的先驱）的人，NASA是对数字孪生的意义和应用理解最为透彻也最受益的机构。“数字孪生的最终愿景是在虚拟环境中创建、测试和构建我们的设备，”NASA领先的制造专家兼NASA国家高级制造中心经理John Vickers说。“只有在达到要求的性能时，我们才进行物理制造。然后，我们希望该物理建筑物通过传感器绑定到其数字孪生子，以便该数字孪生子包含通过检查物理建筑物可能拥有的所有信息。”

数字孪生的应用

通过实施数字孪生，组织可以更好地了解产品性能，改善客户服务并基于这些见解做出更好的运营和战略决策。我们已经开始看到数字孪生在以下领域的主要应用。

• 制造业：数字孪生对产品的设计制造和维护方式具有重大影响。它使制造更加高效和优化，同时减少了生产时间。
• 汽车：可用于汽车领域，以创建互联车辆的虚拟模型。它捕获车辆的行为和操作数据，并有助于分析车辆的整体性能以及所连接的功能。它还有助于为客户提供真正的个性化/定制服务。
• 零售：吸引客户体验是零售领域的关键。数字孪生实施可以在增强零售客户体验方面发挥关键作用。还可以进行更好的店面计划，安全实施和能源管理。
• 医疗保健：数字孪生与来自物联网的数据可以在医疗保健领域发挥关键作用，从节省成本到患者监控，预防性维护以及提供个性化医疗保健。
• 智慧城市：智慧城市的规划和实施以及数字孪生和物联网数据有助于促进经济发展，有效管理资源，减少生态足迹并提高公民的整体生活质量。通过获取各种传感器网络和智能系统的见解，数字孪生模型可以帮助城市规划者和决策者进行智能城市规划。来自数字孪生的数据也有助于他们就未来做出明智的决定。
• 工业物联网：实施数字孪生的工业公司现在可以以数字方式监视、跟踪和控制工业系统。除了运营数据外，数字孪生还捕获环境数据，例如位置、配置、财务模型等，有助于预测未来的运营和异常情况。

数字孪生在中国

在中国，探索数字孪生技术对于城市治理、工业制造等领域的应用和价值的机构和活动百花齐放。以 BIM、CIM(City Information Model)、VR/AR、AI 等先进技术为主攻方向的科技公司发力“数字孪生”方案研发。

不仅停留在探讨阶段，艾三维技术已经在率先推进数字孪生城市建设。坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设，打造具有深度学习能力、全球领先的数字城市。