绿色数字孪生建造概念、理论原型及关键技术*
时间：2023-03-02 22:15:03 来源：千叶帆 本文已影响人
杜明芳
(清华大学信息国家研究中心，北京 100062)
建筑自动化的发展历程大致可以总结为单机(单系统)自动化、综合自动化、数字孪生自动化3个阶段。融合数字孪生、绿色节能技术的绿色数字孪生建造是未来建筑业转型升级的主流方向。当前，传统建筑业亟需数字化、工业化、智能化转型升级。住房和城乡建设部印发的《“十四五”建筑业发展规划》指出：对标2035年远景目标，初步形成建筑业高质量发展体系框架，建筑市场运行机制更加完善，营商环境和产业结构不断优化，建筑市场秩序明显改善，工程质量安全保障体系基本健全，建筑工业化、数字化、智能化水平大幅提升，建造方式绿色转型成效显著，加速建筑业由大向强转变，为形成强大的国内市场、构建新发展格局提供支撑。提出7个方面的主要任务，首要任务是加快智能建造与新型建筑工业化协同发展，即完善智能建造政策和产业体系，夯实标准化和数字化基础，推广数字化协同设计，大力发展装配式建筑，打造建筑产业互联网平台，加快建筑机器人研发和应用，推广绿色建造方式。本文所述“绿色数字孪生建造”正是在这一政策背景下提出的，旨在为“十四五”时期我国的建筑工业化提供有效实施策略与先进技术支撑，能够为促进工业4.0时代世界建筑业的发展提供中国方案。
根据维基百科的解释，数字孪生(digital twin)是指以数字化方式拷贝一个物理对象、流程、人、地方、系统和设备等。数字化的表示提供了物联网设备在其整个生命周期中如何运作的元素和动态。数字孪生将人工智能、机器学习和软件分析与空间网络图相集成以创建活生生的数字仿真模型，这些模型随着其物理对应物的变化而更新和变化。除了模拟/仿真物理对象、流程、人、地方等，更重要的是他们互相之间的关系。数字仿真镜像和物理世界可以联动起来，数字世界可以通过预测试错等方式预判结果，自动反馈到真实世界，从而自动调整生产或者运营方式。数字孪生将人工智能、机器学习、数据分析与网络空间集成在一起，以创建数字仿真模型，随着物理世界的变化而更新和更改。数字孪生系统不断从多个来源学习和更新，以表示其实时状态。该学习系统利用传感器数据自学，并融合人类专家经验和行业领域知识。
2.1 多粒度数字孪生系统工程模型
从工程视角看，数字孪生是系统工程，技术环节包括感(感知)、传(传输)、控(控制)、管(管理)；
基本功能包括决策指挥、管理控制、预测防控、数据治理；
系统特征包括系统节能、系统鲁棒、系统安全、系统柔性(见图1)。
图1 数字孪生工程内涵
从实际应用的视角分析，数字孪生应用必然是一个多粒度(多层级)上的呈现与实现，多粒度数字孪生系统工程模型DTM如图2所示。定义多粒度数字孪生系统工程模型为DTM，则DTM={DT-CYDT-L3YDT-L2YDT-L1}。
图2 多粒度数字孪生系统工程模型
多粒度数字孪生系统工程模型中，数字孪生单元(DT-L1)、数字孪生系统(DT-L2)、数字孪生体系(DT-L3)、数字孪生管理平台(DT-C)依次具有包含关系，即DT-L2包含若干个DT-L1，DT-L3包含若干个DT-L2，DT-C包含若干个DT-L3。多粒度数字孪生系统工程通过纵向数据链与横向数据链联合驱动、运行保障网络安全、数据安全、应用安全，可实现全体系安全互联互通数字工程。
从本质上讲，数字孪生是物理实体在信息空间中的建模、仿真、控制、管理、治理。建模解决物理实体数字映射问题，建立形态模型，如BIM，CAD，CAE完成的事情。仿真解决受控对象的系统仿真问题，建立系统仿真模型，如MATLAB完成的事情。控制解决受控对象的自主控制问题，建立控制系统模型，如MATLAB Simulink完成的事情。管理解决社会对象的闭环管理问题，建立管理体系闭环，如城市管理完成的事情。治理解决社会对象的优化进化问题，建立治理体系闭环，如社会治理完成的事情。
在数字工程生态系统完整视图中，自上而下嵌套的3层决策分析学分别代表规定性分析学、预测性分析学、描述性分析学。数字孪生的应用将大大提高基于模型的系统工程实施水平，实现制造、建造前运行，颠覆设计-制造-试验模式，在数字空间中高效完成大部分分析试验，实现向设计-虚拟综合-数字制造-物理制造的模式转变。数字孪生模型可使产品实现标准化、协同化、智能化设计与加工制造，实现可预测和可预防的使用前保障。
工业数字孪生分为DCS(分布式工业控制系统)、MES(制造执行系统)、ERP(企业管理系统)、IIS(产业互联网系统)。DCS采用控制分散、操作和管理集中的设计思想，采用多层分级、合作自治的结构形式，主要特征是集中管理和分散控制，依靠控制、运算模块灵活组态。MES系统优势为精益生产、生产透明化、生产过程可追溯、信息管理智能化、信息真实性与及时性、生产成本最低化、物料管理专业化、控制方法优异化、决策支持智慧化。MES系统可根据不同行业的生产链进行个性化、柔性化设定。未来，以产品数字孪生为核心的MES系统将成为制造业智能化的主要方向。工业数字孪生金字塔如图3所示。
图3 工业数字孪生金字塔
2.2 数字孪生建造
数字孪生建造是以建造为目标，以MBSE方法论为指导，以数字孪生为技术和管理手段，以建造产业链为流程纽带的系统工程。数据驱动的数字孪生建造系统是指：以数据为智能建造系统全生命周期线索，通过应用数字孪生技术、建造系统实现材料、装备、环境、信息、能量、人、标准七大核心要素的数字化映射，建立建筑业多元异构模型，实现物理空间与信息空间的实时控制与系统集成，实现物理上分散、逻辑上协同的虚实互动统一智能建造体系。数字孪生建造理论包括建筑产业互联网、建筑机器人、建造自动化3个核心理论与信息安全1个保障分支(见图4)。
图4 数字孪生建造理论体系
2.3 绿色数字孪生建造
绿色数字孪生建造在数字孪生建造基础上叠加绿色建造(包含绿色建筑、绿色建材、绿色施工、生态环保、新能源能分支)，并融入绿色、节能方法与技术(见图5)。建筑产业互联网包含的产业链和场景应考虑绿色特征；
建造自动化应考虑负荷自适应能量控制，变频控制(变频调速控制、变频调光控制等)，建造过程工作流AI控制，网络自动化编排控制，多能流平衡控制(适用于零碳建筑、零碳房间、零碳社区、零碳园区、零碳城市等)等技术。
图5 绿色数字孪生建造理论体系
2.4 数字孪生建造场景
数字孪生建造场景包括建筑物、市政设施、城乡建设。每类场景下包括若干小类场景，如图6所示。
图6 数字孪生建造场景
3.1 AI+数字孪生建造
1)自主智能管控 强调人的干预成分尽可能少，未来趋势是由“人在回路”逐渐过渡到“人出回路”。目前，人工智能发展正处于“人在回路”阶段，需将人类智慧充分融入建筑系统。
2)可编程控制 云端、边缘端的控制与管理是可编程、可组态的，流程可自定义，功能可自适应业务系统进行快速组合、定制开发。
3)存算一体 存储和计算一体化，通过虚拟内存管理、AI协同优化等方式打通存储和计算边界，提升存储计算效率。
4)数据智能 强调大数据与人工智能的融合，可实现数据智能计算，具备大数据智能挖掘分析及智能建模能力。
数字孪生建造需要融入人工智能，才能实现以智能、主动节能为特点的绿色数字孪生建造。
3.2 绿色数字孪生建造系统安全自主可控
国产化操作系统、软件、硬件、通信协议可嵌入绿色数字孪生建造系统应用架构的边缘、网络、云端，有助于实现系统信息的统一安全防护与管理。
绿色数字孪生建造系统具有分布式架构、分布式软总线、分布式数据管理及分布式安全能力。国产化操作系统、软硬件是实现建筑行业计算安全、信息安全、供应链安全的根本保障。
标准化绿色数字孪生建造系统提供统一的数据格式，统一的设备语言，统一的网络语义，统一的集成接口，统一的通信协议，统一的认证体系，为数据高效安全采集和流动提供基础，可从底层解决建筑设备标准化问题，使传感器、控制器等设备向智慧建筑元宇宙方向升级，从而支撑业务数字化转型和创新。
3.3 绿色数字孪生建造元宇宙
绿色数字孪生建造元宇宙和城市元宇宙是元宇宙在特定行业领域中的形态之一，属于行业元宇宙范畴。绿色数字孪生建造元宇宙是有机融合信息科学基础理论、信息工程专业技术、行业领域应用基本层级后产生的物理世界中的数字孪生世界，强调原始信息科学与技术对客观世界的驱动性、网络虚拟空间中个体社交性及信息技术载体与应用间的深度集成性。元宇宙分为3个层级：①信息科学基础理论 包含数学、物理、化学、控制论、信息论、线性系统理论、非线性系统理论；
②信息工程专业技术 包含自动化、人工智能、大数据、通信、电气、区块链、VR、AR、软件、数据库；
③行业领域应用 包含建筑、水利、电力、工厂、乡村、物流、社交、媒体。3个层级自下向上分别解决科学技术与产业领域的共性与个性问题，其内容充分融合后产生元宇宙。城市元宇宙指有机融合信息科学基础理论、信息工程专业技术、城市业务领域应用层级后产生的物理城市中的数字孪生虚拟镜像。建造元宇宙和城市元宇宙等行业元宇宙应注重以下几方面的探索：①原始信息科学与技术对行业发展的驱动方法；
②行业网络虚拟空间构建；
③行业管理方、企业、个体间的协作方法；
④信息科技与行业应用间的深度集成方式。元宇宙及城市元宇宙如图7所示。
图7 元宇宙及城市元宇宙
元宇宙产业发展需要解决虚拟数字空间中身份唯一、数据真实性、模型精准性、人机交互与意识交流问题。
绿色数字孪生建造元宇宙产业化落地路径为产品、产业链、生态圈、人才。需要开发绿色数字孪生建造产品，如绿色数字孪生建造管理决策虚拟数字人、绿色数字孪生建造大数据交易平台、绿色数字孪生建造碳感知装置、绿色数字孪生建造碳交易平台，并塑造绿色数字孪生建造产业链，打造绿色数字孪生建造生态圈，培养绿色数字孪生建造专业人才。
某智慧建筑公司开发的智慧建筑管理平台可依据业务场景进行模块化、组态化、搭积木式业务建模。智慧建筑管理平台采用实时数据库技术，支持智能物联网应用，平台内置事件、计算、统计、动作等规则子库，支持算子定制，可快速应对复杂多变的建筑物联网应用场景需求。可组态建筑管理平台业务建模过程如图8所示。
图8 可组态建筑管理平台业务建模过程
将该智慧建筑管理平台应用于北京冬奥会国家速滑馆(冰丝带)项目。该项目建筑面积约8万m2，冰面面积达12 000m2，是亚洲奥运竞赛场馆最大冰面，也是全球首个采用二氧化碳跨临界直冷制冰技术的冬奥会速滑场馆。该平台接入信息化应用系统、信息设施系统、建筑设备管理系统、消防系统、安防系统、制冰系统，细分为36个子系统。接入实时数据点位超过10万点(海量实时数据)。通过实时监测室内外温湿度，监控调节制冰系统、除湿系统、座椅送风空调系统、排风机系统、热回收系统，联动多设备多系统，精准控制气流组织、风速、温度，最终满足竞赛AI智能辅助、观众席温度自动调节、高清视频转播等需求。国家速滑馆智能化集成平台及项目实现情况如图9所示。
图9 国家速滑馆智能化集成平台及项目
目前，国防、工业、城市等领域纷纷提出对数字孪生的理解，并着手开发相应系统。从全球范围看，数字孪生尚无被普遍认可的确切定义及完整理论技术体系，数字孪生理论、技术、应用总体上处于起步阶段。数字孪生七要素总结为物理空间、数字空间、数据、模型、控制、管理、服务。数字孪生建造和绿色数字孪生建造发展与数字孪生七要素发展密切相关。未来5～10年，随着国家“双碳”战略的深度推进及智能建造行业的发展，绿色数字孪生建造发展将迎来黄金期。绿色数字孪生建造发展将孵化新技术、新产品，以场景驱动方式带动技术创新与变革；
将培育出绿色智慧建造产业链，为建筑业转型升级注入新动能；
将支撑绿色智慧城市长足发展，为城市转型升级夯实基础。
中国建造、中国制造、中国创造是我国经济社会发展的三大支柱。在碳达峰、碳中和(双碳)和数字经济浪潮下，中国建造、中国制造均面临数字化、绿色化转型的历史命题，对我国现代经济体系构建起关键作用。全球第4次工业革命是以智能和绿色为核心特征的产业迭代升级，产生的本质影响是提高生产能力、变革生产组织模式、变革能源利用方式。绿色数字孪生建造在不可逆转的宏观历史趋势下，将奠定经济发展的重要产业基石，同时成为我国城市发展的重要行业载体。
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