數(shù)字孿生（Digital Twin）是一個(gè)我們聽(tīng)的越來(lái)越多的術(shù)語(yǔ)，模袋云一直以來(lái)也都致力于搭建最完善的開(kāi)發(fā)者平臺(tái)賦能數(shù)字孿生平臺(tái)建設(shè)，創(chuàng)始人蘇奇也曾發(fā)表過(guò)《詳解數(shù)字孿生》一文，介紹數(shù)字孿生的概念。
其實(shí)數(shù)字孿生在不同的語(yǔ)境下可能會(huì)代表著許多不同的事物，而且愈發(fā)有代替已經(jīng)被“濫用”的BIM一詞。
而提到數(shù)字孿生就不得不提一下支持?jǐn)?shù)字孿生技術(shù)發(fā)展的中流砥柱Bentley。
Bentley的數(shù)字孿生項(xiàng)目
建筑信息建模（BIM）一詞已經(jīng)有超過(guò)20年的歷史了，隨著時(shí)間的推移，它已經(jīng)從一個(gè)術(shù)語(yǔ)變成了普通詞匯。現(xiàn)在，隨著新的工作流程和工具的出現(xiàn)，數(shù)字孿生大有超過(guò)BIM成為buzzword之勢(shì)。
數(shù)字孿生模型是橋梁、軌道甚至整個(gè)城市等物理資產(chǎn)的對(duì)應(yīng)物高精度的數(shù)字模型。通常，數(shù)字孿生模型可以基于傳感器和持續(xù)勘測(cè)等多個(gè)來(lái)源持續(xù)同步，可以近乎實(shí)時(shí)地表示狀態(tài)、工況或位置。在各種基礎(chǔ)設(shè)施和工業(yè)領(lǐng)域中，數(shù)字孿生模型用于優(yōu)化物理資產(chǎn)、系統(tǒng)和制造流程的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)。
通俗地理解，BIM是一個(gè)提供設(shè)計(jì)三維模型的過(guò)程，而數(shù)字孿生會(huì)使用模型，并提供數(shù)據(jù)來(lái)增強(qiáng)模型，以便進(jìn)行性能模擬或在建筑物或資產(chǎn)生命周期內(nèi)進(jìn)行維護(hù)。
將現(xiàn)實(shí)建模與BIM數(shù)據(jù)相結(jié)合的數(shù)字孿生
這個(gè)概念從定義上來(lái)講是沒(méi)問(wèn)題的，但在現(xiàn)實(shí)中，設(shè)計(jì)和施工總會(huì)有偏差，模型和建筑未必一樣。如果數(shù)字孿生和對(duì)應(yīng)的建筑資產(chǎn)不匹配，那它就不是孿生。
也就是說(shuō)，數(shù)字孿生是對(duì)精度有要求的。假設(shè)我們達(dá)到了這樣的精度，應(yīng)該如何利用數(shù)字孿生呢？要做到數(shù)字孿生，建筑或資產(chǎn)是否要通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的傳感器進(jìn)行“實(shí)時(shí)”連接，或者每隔幾個(gè)月重新捕獲一個(gè)現(xiàn)實(shí)模型來(lái)監(jiān)控和評(píng)估不斷變化的情況？類(lèi)似的問(wèn)題還有很多。
押寶數(shù)字孿生的Bentley
Bentley Systems在數(shù)字孿生上可是壓了大注。Bentley 2019年10月在新加坡舉辦的縱覽基礎(chǔ)設(shè)施大會(huì)上，數(shù)字孿生是一大亮點(diǎn)，很多內(nèi)容都是關(guān)于創(chuàng)建圍繞數(shù)字孿生的工作流程，并利用來(lái)自民用、建筑、工廠(chǎng)和運(yùn)輸?shù)母鞣N項(xiàng)目的數(shù)據(jù)資產(chǎn)。
Bentley的CEO Greg Bentley
公司首席執(zhí)行官Greg Bentley解釋說(shuō)：“我們已做軟件來(lái)生產(chǎn)有用的交付成果，但它是靜態(tài)的。我們?cè)跀?shù)字孿生中的目標(biāo)是，使這些可交付成果的價(jià)值持續(xù)于資產(chǎn)的整個(gè)使用壽命，將隱藏在黑暗中的建筑數(shù)據(jù)公開(kāi)，使其隨時(shí)間的變化同步，實(shí)現(xiàn)身臨其境的可視化效果。”
“更重要的是，分析的可見(jiàn)性。這包括了數(shù)字孿生隨著時(shí)間的推移的分析，也就是四維的。”
Bentley接著說(shuō)，CAD、GIS、掃描和BIM數(shù)據(jù)的組合，使數(shù)字孿生與IoT傳感器結(jié)合，可以幫助模擬和解釋真實(shí)世界的性能表現(xiàn)。Bentley Systems的數(shù)字孿生主要是為業(yè)主/運(yùn)營(yíng)商提供便利。
iTwins 會(huì)持續(xù)更新資產(chǎn)的數(shù)據(jù)，用于了解資產(chǎn)的性能
顯然，只有在生命周期中持續(xù)同步和維護(hù)數(shù)字模型，得到的數(shù)據(jù)才是孿生數(shù)據(jù)。Bentley也在加強(qiáng)其傾斜攝影或激光掃描的現(xiàn)實(shí)捕獲能力，能夠?qū)ㄖ虺鞘小⒒A(chǔ)設(shè)施和建筑資產(chǎn)進(jìn)行高度精確掃描和捕獲，并將其轉(zhuǎn)換為"現(xiàn)實(shí)網(wǎng)格"。使用此技術(shù)和Bentley的iTwin服務(wù)（用于管理基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生的平臺(tái)）可以保持原始BIM模型與實(shí)際資產(chǎn)保持同步。
Bentley的CTO Keith Bentley
Bentley的CTO Keith Bentley解釋說(shuō)，“除了城市的應(yīng)用外，民用應(yīng)用是我們看到的第二大數(shù)字孿生使用案例，例如使用無(wú)人機(jī)和AI來(lái)預(yù)測(cè)性地識(shí)別裂縫，并在數(shù)字孿生的模型中映射出來(lái)。我們展示的城市模型是另一個(gè)很好的例子。但是，一個(gè)城市的數(shù)字孿生和一個(gè)設(shè)施的數(shù)字孿生是兩回事。”
“城市模型需要上下文信息。我們有GIS數(shù)據(jù)，有建筑的輪廓，但這些信息不會(huì)像設(shè)施的信息那樣詳細(xì)。但參與供水系統(tǒng)的公司希望能夠全面了解城市的運(yùn)作，看到相關(guān)的模型和他們的供水系統(tǒng)或管道系統(tǒng)模型之間的聯(lián)系。這才是人們?cè)噲D去構(gòu)建的東西。”
iModel.js 是一個(gè)開(kāi)源平臺(tái)，用于創(chuàng)建、訪(fǎng)問(wèn)、利用和集成基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字孿生
“五步走”與“下定義”
Bentley設(shè)計(jì)集成業(yè)務(wù)部門(mén)的SVP Santanu Das展示了一個(gè)數(shù)字孿生執(zhí)行的“五步走”計(jì)劃。
首先是將要進(jìn)行數(shù)據(jù)孿生的資產(chǎn)在地球上進(jìn)行定位。下一階段是將關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)聚合到3D模型中，并在云端進(jìn)行存儲(chǔ)，方便協(xié)作。第三階段是添加4D的時(shí)間線(xiàn)。階段四是將IoT設(shè)備連接到資產(chǎn)上。最后是使用分析來(lái)獲取實(shí)時(shí)性能的可見(jiàn)性，讓實(shí)時(shí)性能可以鏈接到數(shù)字孿生，以提供自動(dòng)報(bào)告、警告或?qū)︻A(yù)測(cè)性維護(hù)進(jìn)行規(guī)劃。
起點(diǎn)實(shí)際上是創(chuàng)建BIM模型，并收集和引用從規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工到運(yùn)營(yíng)的所有數(shù)據(jù)到模型中。
在現(xiàn)實(shí)世界中，BIM模型主要用于創(chuàng)建建筑圖紙，有些BIM模型還會(huì)附帶一個(gè)COBie文件，它提供了建筑物中可操作項(xiàng)目的列表。當(dāng)然，可能也有針對(duì)施工的BIM模型。數(shù)字孿生則是原始3D模型頂層和增強(qiáng)層，需要一種整體的數(shù)據(jù)收集和存儲(chǔ)方法。
Bentley進(jìn)一步提出了“項(xiàng)目數(shù)字孿生”和“性能數(shù)字孿生”的概念。
項(xiàng)目數(shù)字孿生是參與設(shè)計(jì)和建造任何資產(chǎn)的前端工作。這類(lèi)似于今天的BIM流程，即創(chuàng)建一個(gè)多層模型與相關(guān)的圖紙和項(xiàng)目信息。它還可以有一個(gè)4D時(shí)間線(xiàn)，提供“誰(shuí)在什么時(shí)間做了什么事”的記錄，以及模擬施工、物流和制造序列的信息。
性能數(shù)字孿生用于在生命周期內(nèi)進(jìn)行模擬、操作的已構(gòu)建資產(chǎn)，它來(lái)自原始BIM的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，在某些情況下也可能是基于實(shí)際的建筑的現(xiàn)實(shí)模型創(chuàng)建。一般來(lái)說(shuō)項(xiàng)目數(shù)字孿生只有一個(gè)，但性能數(shù)字孿生可以有多個(gè)，以適應(yīng)多個(gè)生命周期的任務(wù)，比如監(jiān)測(cè)能源使用、行人流量、空間利用、交通流量、設(shè)施管理等。在性能數(shù)字孿生中，可以使用人工智能或機(jī)器學(xué)習(xí)進(jìn)行分析，以獲得可見(jiàn)性和洞察力，幫助提高資產(chǎn)的有效性。
顯然，有很多現(xiàn)有的建筑和基礎(chǔ)設(shè)施可能是使用傳統(tǒng)的2D繪圖流程開(kāi)發(fā)的。在這種情況下，需要通過(guò)激光掃描或傾斜攝影來(lái)測(cè)量創(chuàng)建模型。如果需要智能模型，則需要從掃描數(shù)據(jù)中重新建模。
由于需要將這么多數(shù)據(jù)整理在一起，Bentley還開(kāi)發(fā)了iModel.js技術(shù)，將云中的數(shù)據(jù)處理成一種具有多分辨率的格式，與Google地圖的工作方式類(lèi)似。如果你放大區(qū)域，可以獲得更詳細(xì)的視圖。使用iModel.js可以有多個(gè)獲得不同細(xì)節(jié)程度的模型，這些模型都具備版本、鏈接和關(guān)系數(shù)據(jù)。這個(gè)模型的規(guī)模幾乎可以是無(wú)限的，甚至可以包含一個(gè)國(guó)家一樣大的數(shù)據(jù)。這只能在服務(wù)器上完成。
由Topcon無(wú)人機(jī)捕獲并使用Bentley ContextCapture處理的劍橋大學(xué)工程系大樓和周?chē)鷪?chǎng)地的現(xiàn)實(shí)模型
數(shù)字孿生究竟能帶來(lái)什么好處
Bentley展示了與殼牌的項(xiàng)目。殼牌的項(xiàng)目工程VP Sada Iyer解釋了能源市場(chǎng)的關(guān)注點(diǎn)的轉(zhuǎn)移。過(guò)去的關(guān)注重點(diǎn)是資本效率，而現(xiàn)在是生命周期的優(yōu)化。
對(duì)于殼牌來(lái)說(shuō)，數(shù)字孿生是物理元素的虛擬表示，以及資產(chǎn)在其生命周期中的動(dòng)態(tài)行為。它從3D模型開(kāi)始，通過(guò)可視化工具連接到項(xiàng)目執(zhí)行計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化模擬，從而實(shí)現(xiàn)更好的施工規(guī)劃、關(guān)鍵路徑分析，然后所有這些數(shù)據(jù)流進(jìn)一個(gè)已建成的數(shù)字孿生。
這與動(dòng)態(tài)仿真模型和過(guò)程分析相連接。如果因流程需要而進(jìn)行更改，數(shù)字孿生可以查看更改可能產(chǎn)生的影響。這使得殼牌節(jié)省了時(shí)間，提升了設(shè)施的優(yōu)化效果。
微軟也在圍繞智能建筑進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型。微軟在新加坡的辦公地點(diǎn)Frasers Tower大樓，已經(jīng)被連接到Azure云端的數(shù)字孿生，以對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行測(cè)試，并將其反饋的信息應(yīng)用于辦公室的布局和運(yùn)營(yíng)。系統(tǒng)每五分鐘提供一次實(shí)時(shí)更新。
微軟也在Redmond園區(qū)使用了自家技術(shù)。為了降低成本，微軟使用了200萬(wàn)個(gè)傳感器將所有145棟建筑連接起來(lái)，通過(guò)數(shù)千種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，能夠根據(jù)對(duì)業(yè)務(wù)的潛在成本影響，確定待修復(fù)問(wèn)題的優(yōu)先級(jí)。這個(gè)系統(tǒng)每年要花費(fèi)200萬(wàn)英鎊的運(yùn)行費(fèi)用，但它在18個(gè)月內(nèi)就收回了成本。
微軟也在研究建筑的利用方式，使用IoT傳感器監(jiān)控不同時(shí)間建筑的占用水平、使用能源的情況，甚至分析哪些團(tuán)隊(duì)溝通最多，并將這些團(tuán)隊(duì)放在臨近的位置，縮短他們的溝通距離，還可以分析會(huì)議室的使用情況，以及誰(shuí)預(yù)訂了會(huì)議室卻沒(méi)有使用。類(lèi)似這樣的數(shù)據(jù)可以幫助業(yè)主查看建筑物的使用是否還可以進(jìn)一步優(yōu)化。
微軟還在園區(qū)內(nèi)使用行人模擬來(lái)計(jì)算人們離開(kāi)大樓需要多長(zhǎng)時(shí)間。這有助于預(yù)測(cè)，如果將地鐵站的位置向北移動(dòng)一個(gè)街區(qū)，會(huì)對(duì)行人、交通、停車(chē)甚至商業(yè)造成什么影響。
中國(guó)交通建設(shè)集團(tuán)第一公路工程局也是數(shù)字孿生的應(yīng)用者。它模擬了一條68公里長(zhǎng)的高速公路，其中包括30多座橋梁，預(yù)算約70億美元。公司使用了通過(guò)攝影搭建的現(xiàn)有資產(chǎn)的數(shù)字孿生，生成了現(xiàn)有道路和地形的現(xiàn)實(shí)模型。概念設(shè)計(jì)是在Bentley OpenRoads ConceptStation中完成的，施工后，操作員會(huì)使用相同的模型進(jìn)行交通模擬，決定未來(lái)是否要對(duì)道路進(jìn)行拓寬。
通過(guò)Bentley AssetWise平臺(tái)上的儀表板查看設(shè)施模型和運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)
當(dāng)然，還有一些問(wèn)題需要回答，比如，數(shù)字孿生需要詳細(xì)的3D模型嗎？因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)中，它可能只需要有與你的數(shù)字孿生的用途相關(guān)的信息。
此外，如果不部署實(shí)時(shí)連接的IoT設(shè)備，甚至是不使用IoT，那么應(yīng)該如何對(duì)資產(chǎn)進(jìn)行定期檢查，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新？此外很多定義也尚未明確。
很顯然Bentley Systems在過(guò)去五年下了大功夫：從現(xiàn)實(shí)模型的獲取、資產(chǎn)管理工具的開(kāi)發(fā)，到去年發(fā)布開(kāi)源的iModel.js，以及建立Azure云端的底層架構(gòu)和分析工具的部署，但實(shí)際情況仍是任重而道遠(yuǎn)。
BIM仍在挑動(dòng)著業(yè)主的神經(jīng)，但很多巨頭已經(jīng)意識(shí)到了資產(chǎn)的使用壽命和維護(hù)的價(jià)值，并知道他們可以通過(guò)全生命周期的管理來(lái)節(jié)省資金。這給了數(shù)字孿生無(wú)線(xiàn)的前景?；蛟S，是時(shí)候搞清楚BIM和數(shù)字孿生的區(qū)別了。
