從工程數(shù)字化應(yīng)用到智慧城市實踐

工程數(shù)字化歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)迎來全新的發(fā)展階段。從工程數(shù)字化在設(shè)計、建設(shè)階段的應(yīng)用，到工程全生命周期管理，智慧城市、數(shù)字孿生概念的提出；從單項目、項目集群的數(shù)字化應(yīng)用，到數(shù)字城市、智慧城市的建設(shè)實踐，工程數(shù)字化的指導(dǎo)思想、理念、應(yīng)用場景及要求，均發(fā)生了改變。

工程數(shù)字化發(fā)展概述

1946年，美國賓夕法尼亞大學誕生了第一臺計算機ENIAC，標志著人類社會進入信息時代；1969年，美國國防部高級研究計劃署建立了“阿帕網(wǎng)”，實現(xiàn)了大型計算機之間的相互通訊與計算資源調(diào)用，成為了全球因特網(wǎng)的前身；上世紀80年代初開始，隨著微型計算機的普及，人類開始全面邁入信息時代。隨著全球信息化浪潮的不斷興起，給各行各業(yè)帶來了新的運營模式和發(fā)展機遇。其中，工程行業(yè)伴隨著此次浪潮，也在1982年至1985年間催生出了工程數(shù)字化技術(shù)的萌芽。

工程數(shù)字化技術(shù)是在計算機、互聯(lián)網(wǎng)計算基礎(chǔ)上，形成的一個新型圖形技術(shù)、計算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和工程技術(shù)的結(jié)合。根據(jù)計算機技術(shù)水平發(fā)展、目的和驅(qū)動方式的不同，可劃分為圖紙驅(qū)動階段、模型驅(qū)動階段、數(shù)據(jù)驅(qū)動階段三個階段（圖1）。

在圖紙驅(qū)動階段，工程數(shù)字化的目的是利用CAD技術(shù)快速實現(xiàn)從手工制圖向計算機輔助制圖的轉(zhuǎn)變；在模型驅(qū)動階段，工程數(shù)字化技術(shù)圍繞BIM（Building Information Modeling）技術(shù)，利用基于三維模型的協(xié)同設(shè)計，賦能傳統(tǒng)交付方式，提升設(shè)計工作的效率和質(zhì)量；在數(shù)據(jù)驅(qū)動階段，隨著工程數(shù)據(jù)的不斷被挖掘、整合和利用的需要，工程行業(yè)逐步演化和數(shù)字孿生（Digital Twin）概念被提出，以工程數(shù)據(jù)為核心，整體邁向工程數(shù)字化產(chǎn)品交付與工程數(shù)字化運營階段，工程數(shù)字化的價值不僅限于設(shè)計階段，而是為工程的全生命周期提供一種智慧化的服務(wù)模式。工程數(shù)字化的三個階段，如圖1所示。

圖1 工程數(shù)字化的三個階段

而隨著工程數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展、數(shù)字工程和智慧城市應(yīng)用需求的增長，近年來，數(shù)字孿生技術(shù)和應(yīng)用脫穎而出，逐步融合演變至工程及城市建設(shè)的各個領(lǐng)域，對城市、工程、環(huán)境、活動等全部數(shù)據(jù)信息的構(gòu)成要素，以最廣泛的數(shù)字化技術(shù)進行感知與聯(lián)通，最終實現(xiàn)形成與工程、城市實時相互映射的數(shù)據(jù)集合體。數(shù)字孿生技術(shù)為數(shù)字工程和新型智慧城市建設(shè)提供了全新的技術(shù)與管理思路。

結(jié)合中國電力建設(shè)集團華東勘測設(shè)計研究院（以下簡稱“華東院”）10多年來在工程數(shù)字化與數(shù)字城市應(yīng)用方面的經(jīng)驗，筆者認為，隨著數(shù)字工程技術(shù)的不斷發(fā)展，工程企業(yè)應(yīng)在工程與城市建設(shè)的各個階段中，把握從工程數(shù)字化、數(shù)字化工程、全生命周期管理、數(shù)字孿生和數(shù)字城市等不同技術(shù)在工程應(yīng)用階段的特征，以及工程企業(yè)在數(shù)字轉(zhuǎn)型發(fā)展中面臨的機遇和挑戰(zhàn)。

數(shù)字孿生

從工程數(shù)字化到數(shù)字化工程

工程數(shù)字化是在信息化基礎(chǔ)上開展的一種企業(yè)內(nèi)向型的能力建設(shè)，是在規(guī)劃、設(shè)計、建造、運維的各個階段，通過三維數(shù)字化技術(shù)實現(xiàn)傳統(tǒng)設(shè)計交付，如三維設(shè)計、二維出圖，最終提高企業(yè)自身的設(shè)計、生產(chǎn)、管理等方面質(zhì)量的問題，解決企業(yè)設(shè)計交付的能力問題和水平問題，為工程企業(yè)賦能增效。目前，全國各行各業(yè)工程數(shù)字化的能力、作用和實現(xiàn)方法基本是一致的，且得到了快速發(fā)展和應(yīng)用，工程數(shù)字化能力已成為整個工程行業(yè)和社會發(fā)展的基礎(chǔ)和倍增器。

華東院從2003年開始進行工程數(shù)字化建設(shè)，建立了一套完整的三維數(shù)字化解決方案（圖2）。在實踐過程中，總結(jié)出了“一個平臺、一個模型、一個數(shù)據(jù)架構(gòu)”的工程數(shù)字化理念，其既符合工程設(shè)計需求，又符合計算機科學原理的工程數(shù)字化理論體系。通過和美國Bentley 軟件公司合作，把國外優(yōu)秀的工程數(shù)字化軟件應(yīng)用到中國，并根據(jù)國內(nèi)設(shè)計行業(yè)實際情況，進行應(yīng)用軟件的場景化開發(fā)和行業(yè)化定制，實現(xiàn)了中國本土工程數(shù)字化技術(shù)的落地。

目前，華東院工程數(shù)字化能力已迅速從水電領(lǐng)域推廣到電力、風電、水利、軌道、交通、路橋等專業(yè)，以及EPC、工程總承包其他工程領(lǐng)域，不僅實現(xiàn)了大型多專業(yè)復(fù)雜工程的正向三維設(shè)計和二維出圖、設(shè)計過程的質(zhì)量與效率顯著提升，而且實現(xiàn)了工程建設(shè)全過程的數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用與管理，為國內(nèi)勘察設(shè)計行業(yè)和工程企業(yè)的三維數(shù)字化應(yīng)用，起到了極大的推動和示范作用。

數(shù)字化工程是在工程數(shù)字化基礎(chǔ)上開展的一種企業(yè)外向型能力建設(shè)，是企業(yè)在能力、產(chǎn)品和服務(wù)形式上的一種改變與提升。通過數(shù)字化工程，企業(yè)提供給業(yè)主、政府的是一種基于數(shù)據(jù)的貫穿工程規(guī)劃、設(shè)計、施工、運營等工程全生命周期的數(shù)字化解決方案和服務(wù)能力。相比工程數(shù)字化，交付物已經(jīng)發(fā)生了根本變化，不再僅僅是圖紙和報告，而是完全具備有數(shù)字化特征的產(chǎn)品和服務(wù)。通過數(shù)字化工程，工程的規(guī)劃、設(shè)計、施工、運營等各個階段，新型的產(chǎn)品和服務(wù)均可以得到數(shù)字化能力的深刻賦能。

基于數(shù)字化工程外向型的能力屬性，華東院不斷打造形成了基于數(shù)據(jù)、貫穿工程規(guī)劃、設(shè)計、施工、運營等工程全生命周期的成熟數(shù)字化解決方案和服務(wù)輸出能力，并進一步整合形成了華東院的工程數(shù)字化管理品牌——CyberEng。

CyberEng 系列產(chǎn)品緊緊圍繞工程建設(shè)全生命周期業(yè)務(wù)，利用BIM、GIS、IoT、遙感、移動互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈和云計算等前沿技術(shù)，為從工程規(guī)劃、設(shè)計、施工、運營的全過程提供智慧化服務(wù)，目前已覆蓋15個行業(yè)、24個國家。華東院工程數(shù)字化管理品牌架構(gòu)，如圖3所示。

圖2 華東院三維數(shù)字化解決方案

圖3 華東院工程數(shù)字化管理品牌架構(gòu)

從數(shù)字化工程到數(shù)字孿生

工程數(shù)字化和數(shù)字化工程，均會產(chǎn)生海量的工程與管理數(shù)據(jù)。有效管理和使用這些珍貴的工程數(shù)據(jù)，必須將工程數(shù)據(jù)根據(jù)規(guī)則匯聚形成工程數(shù)據(jù)中心（EDC）。工程數(shù)據(jù)中心正是實現(xiàn)工程數(shù)字孿生、創(chuàng)造數(shù)字化工程價值的重要基礎(chǔ)。因此，研發(fā)建設(shè)好工程數(shù)據(jù)中心（EDC），是實現(xiàn)數(shù)字孿生的關(guān)鍵。該中心以BIM為核心載體的工程項目的數(shù)據(jù)標準制定者、數(shù)據(jù)管理者、數(shù)據(jù)校驗者和服務(wù)提供者，根據(jù)各行業(yè)各階段BIM模型的定義，建立工程元數(shù)據(jù)庫，組織協(xié)調(diào)相關(guān)設(shè)計、建管、運維三大平臺的主數(shù)據(jù)及邏輯關(guān)系，實現(xiàn)多種規(guī)格、不同形式、不同階段的數(shù)據(jù)在工程建設(shè)的全過程貫通融合。

數(shù)字孿生是在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)與工程、城市與應(yīng)用等實時、完整、真實的的數(shù)字化映像，它將可以時刻反映實際物體的屬性、參數(shù)和內(nèi)容的變化情況，將原來分散在各個城市、工程、設(shè)備、人員活動中的各種靜態(tài)與動態(tài)數(shù)據(jù)，通過互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等傳感系統(tǒng)，集中到一個可以被管理者管理、控制、分析和應(yīng)用的數(shù)字復(fù)合體——數(shù)字孿生，使數(shù)據(jù)從離散形態(tài)變?yōu)榧闲螒B(tài)、從靜態(tài)變?yōu)閯討B(tài)、從離線變成在線、從可看變成可控、從工程的數(shù)字檔案變成為工程的核心資產(chǎn)，從而創(chuàng)造出數(shù)據(jù)價值和業(yè)務(wù)價值，為各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)、模型服務(wù)及多維時空服務(wù)的解決方案。

各類工程數(shù)據(jù)在規(guī)劃設(shè)計和建設(shè)過程中收集、整合，與全生命周期管理過程中不斷產(chǎn)生的新數(shù)據(jù)并進行整合，形成有標準、有規(guī)則、有排列、有邏輯、有功能分布、有屬性、可溯源、可管理的工程數(shù)據(jù)中心或城市信息模型（CIM），成為支撐數(shù)字孿生的核心資產(chǎn)，隨著時間與數(shù)據(jù)的更新而持續(xù)變化，將為智慧城市建設(shè)與管理提供高效的信息載體。數(shù)字孿生的核心價值在于工程（或城市）數(shù)據(jù)的一次產(chǎn)生，可在智慧工程（或城市）中終生使用。

新型智慧城市建設(shè)

隨著數(shù)字技術(shù)的進步以及社會需求的增長，數(shù)字化工程的應(yīng)用規(guī)模越來越大，從單個項目應(yīng)用逐步擴展到多項目、項目群，直至現(xiàn)在許多城市級智慧城市的數(shù)字化應(yīng)用實踐，項目類型、數(shù)據(jù)類型、工程接口、應(yīng)用場景等成倍增多，管理的復(fù)雜度呈指數(shù)級增長，智慧城市建設(shè)過程中對工程數(shù)字化技術(shù)水平、理論體系、CIM 管理平臺、各參與方在項目中的責任與角色，都提出了新的要求。因此，智慧城市的技術(shù)、建設(shè)與管理理念，時常出現(xiàn)混淆。

筆者認為，新型智慧城市應(yīng)該是各方行動者有效地利用技術(shù)與數(shù)據(jù)，優(yōu)化各自的管理與決策并顯著提升居民生活質(zhì)量的城市。建設(shè)新型智慧城市不是政府和企業(yè)的目的，而是提升城市居民生活質(zhì)量的一種重要手段。

智慧城市建設(shè)要求城市建設(shè)管理、工程技術(shù)與數(shù)字化技術(shù)深度融合，打造城市最廣泛的數(shù)字化、智慧化聯(lián)通，在城市建設(shè)規(guī)劃、設(shè)計、建造、運維全階段，依托數(shù)字孿生建設(shè)完成各個工程項目數(shù)據(jù)的有效匯聚，以形成項目及項目群的工程數(shù)據(jù)中心；通過各個工程數(shù)據(jù)中心、智慧應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心進行再匯聚，逐漸演化成城市信息中心（CIM）。

新型智慧城市應(yīng)該從以下三個層面推動協(xié)同建設(shè)：

第一層是基礎(chǔ)設(shè)施層。包括高速聯(lián)通的通訊網(wǎng)絡(luò)和傳感器?；A(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化是智慧城市建設(shè)的基礎(chǔ)，只有先做好基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化，才能真正實現(xiàn)城市的智慧化感知和智慧化管理。

第二層是智能應(yīng)用層?？煞譃榘踩?、出行、健康、能源、水、垃圾、經(jīng)濟發(fā)展和設(shè)施、市民參與和社區(qū)八大類。正如麥肯錫在2018年發(fā)布的《智慧城市：數(shù)字技術(shù)打造宜居家園》報告中所述，科技只是一種基礎(chǔ)設(shè)施、資源分配與空間共享的工具，智慧城市建設(shè)的最終目標仍在于更高效、更動態(tài)地響應(yīng)城市居民的需求和期望。

第三層是城市、企業(yè)和公眾的接納及使用程度。城市的數(shù)字化建設(shè)需要政府政策的強制性管理，而智慧化建設(shè)需要社會各界的兼容性應(yīng)用。只有全面進行城市的數(shù)字化建設(shè)，才能真正實現(xiàn)城市的智慧化管理。新型智慧城市建設(shè)內(nèi)涵，如圖4所示。

圖4 新型智慧城市建設(shè)內(nèi)涵

圖5 前海數(shù)字化應(yīng)用與實踐

近年來，華東院在智慧城市領(lǐng)域開展了豐富的應(yīng)用與實踐，參與了深圳前海、河北雄安、西安灃西等具有代表性的智慧城市項目。其中，深圳前海自貿(mào)合作區(qū)占地面積約15平方公里，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資超過4000億元，很多工程的地下空間為6層和7層，規(guī)劃設(shè)計和建設(shè)管理要求非常復(fù)雜。華東院將整個深圳前?！疤焐系叵隆?、建筑現(xiàn)狀、規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)進展過程全部進行了數(shù)字化管理，整個前海的規(guī)劃、設(shè)計、施工、運維，都可以實時集中在“前海數(shù)字城市建設(shè)管理平臺”上進行統(tǒng)一管控，成功打造出了一個中國新型數(shù)字城市建設(shè)樣本（圖5）。

圖6 未來社區(qū)平臺

此外，華東院作為浙江省政府數(shù)字化工程“未來社區(qū)”工作的主要推動者，視未來社區(qū)為“智慧城市建設(shè)的重要環(huán)節(jié)和最小智慧化的應(yīng)用單元”。華東院成立了浙江省未來社區(qū)CIM 研究中心，為浙江省政府開發(fā)了統(tǒng)一的“浙江省未來社區(qū)CIM 建設(shè)管理平臺”，為浙江省政府統(tǒng)籌管理浙江省內(nèi)各個城市的未來社區(qū)數(shù)字化建設(shè)，提供了全過程技術(shù)咨詢以及配套的軟件服務(wù)。未來社區(qū)平臺，如圖6所示。

實現(xiàn)從“工程+IT”到“IT+工程”的轉(zhuǎn)變

在工程數(shù)字化、數(shù)字化工程、數(shù)字孿生和智慧城市等技術(shù)與應(yīng)用快速發(fā)展建設(shè)過程中，政府和工程企業(yè)實際上面臨著巨大的機遇和挑戰(zhàn)。對于政府而言，如果沒有把握數(shù)字工程、數(shù)字城市、智慧城市和數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的總脈絡(luò)，沒有及時在戰(zhàn)略上進行引導(dǎo)部署，城市的整體數(shù)字技術(shù)應(yīng)用發(fā)展水平、企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和城市的數(shù)字化新經(jīng)濟動能就會相對落后，甚至會影響到整個城市其他的業(yè)態(tài)發(fā)展，包括政府的城市數(shù)字化治理、數(shù)字科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也許都會受到影響。而對于工程企業(yè)而言，如果不能夠及時把技術(shù)能力、服務(wù)產(chǎn)品、生產(chǎn)能力、服務(wù)模式向數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展，就有可能會在數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展的過程中脫節(jié)，從而逐漸在數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展的浪潮中逐漸失去競爭力。

因此，工程企業(yè)首先要實現(xiàn)“工程+IT”，利用數(shù)字技術(shù)提升企業(yè)的服務(wù)能力和改進企業(yè)的服務(wù)產(chǎn)品，從而為企業(yè)進一步實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型做好充分準備。工程企業(yè)最終要以實現(xiàn)“IT+工程”為目標，使服務(wù)產(chǎn)品和服務(wù)模式具有明顯數(shù)字化的屬性，滿足企業(yè)數(shù)字時代的基本需求。

相信在不久的將來，每一個工程企業(yè)，都會逐漸形成IT企業(yè)的屬性，企業(yè)的服務(wù)模式、服務(wù)產(chǎn)品、專業(yè)人員結(jié)構(gòu)也都將發(fā)生一次深刻的變化,形成基于信息化和數(shù)字化技術(shù)為支撐的企業(yè)運營、生產(chǎn)與服務(wù)模式，最終實現(xiàn)從企業(yè)信息化到信息化企業(yè)轉(zhuǎn)變、從工程數(shù)字化到數(shù)字化工程的轉(zhuǎn)變，完成從工程數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用能力的提升到數(shù)字化工程服務(wù)產(chǎn)品和交付能力的轉(zhuǎn)變。

數(shù)字孿生技術(shù)是工程數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用發(fā)展過程中的一個全新的、重要的技術(shù)路線，也是未來數(shù)字工程、數(shù)字城市、智慧城市等數(shù)字工程發(fā)展的必由之路。發(fā)展數(shù)字孿生技術(shù)、打造數(shù)字工程和智慧城市，需要政府、工程企業(yè)、科技企業(yè)等各參與方的共同參與和努力。只要大家一起持續(xù)不斷地堅持推進工程數(shù)字化應(yīng)用和科技創(chuàng)新，堅定不移地推進工程企業(yè)和工程建設(shè)管理的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，在全社會形成廣泛的工程數(shù)字化應(yīng)用氛圍，我們的企業(yè)、社會和國家一定能夠逐步實現(xiàn)習主席提出的“數(shù)字中國、智慧社會”的宏偉愿景，我們整個人類社會也才能夠真正實現(xiàn)從傳統(tǒng)社會向數(shù)字化、智慧化社會的進化。