綠色數(shù)字孿生建造概念、理論原型及關(guān)鍵技術(shù)*

杜明芳

(清華大學(xué)信息國家研究中心，北京 100062)

1 研究背景

建筑自動(dòng)化的發(fā)展歷程大致可以總結(jié)為單機(jī)(單系統(tǒng))自動(dòng)化、綜合自動(dòng)化、數(shù)字孿生自動(dòng)化3個(gè)階段。融合數(shù)字孿生、綠色節(jié)能技術(shù)的綠色數(shù)字孿生建造是未來建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主流方向。當(dāng)前，傳統(tǒng)建筑業(yè)亟需數(shù)字化、工業(yè)化、智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)的《“十四五”建筑業(yè)發(fā)展規(guī)劃》指出：對(duì)標(biāo)2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)，初步形成建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展體系框架，建筑市場(chǎng)運(yùn)行機(jī)制更加完善，營(yíng)商環(huán)境和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，建筑市場(chǎng)秩序明顯改善，工程質(zhì)量安全保障體系基本健全，建筑工業(yè)化、數(shù)字化、智能化水平大幅提升，建造方式綠色轉(zhuǎn)型成效顯著，加速建筑業(yè)由大向強(qiáng)轉(zhuǎn)變，為形成強(qiáng)大的國內(nèi)市場(chǎng)、構(gòu)建新發(fā)展格局提供支撐。提出7個(gè)方面的主要任務(wù)，首要任務(wù)是加快智能建造與新型建筑工業(yè)化協(xié)同發(fā)展，即完善智能建造政策和產(chǎn)業(yè)體系，夯實(shí)標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)字化基礎(chǔ)，推廣數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)，大力發(fā)展裝配式建筑，打造建筑產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，加快建筑機(jī)器人研發(fā)和應(yīng)用，推廣綠色建造方式。本文所述“綠色數(shù)字孿生建造”正是在這一政策背景下提出的，旨在為“十四五”時(shí)期我國的建筑工業(yè)化提供有效實(shí)施策略與先進(jìn)技術(shù)支撐，能夠?yàn)榇龠M(jìn)工業(yè)4.0時(shí)代世界建筑業(yè)的發(fā)展提供中國方案。

根據(jù)維基百科的解釋，數(shù)字孿生(digital twin)是指以數(shù)字化方式拷貝一個(gè)物理對(duì)象、流程、人、地方、系統(tǒng)和設(shè)備等。數(shù)字化的表示提供了物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在其整個(gè)生命周期中如何運(yùn)作的元素和動(dòng)態(tài)。數(shù)字孿生將人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和軟件分析與空間網(wǎng)絡(luò)圖相集成以創(chuàng)建活生生的數(shù)字仿真模型，這些模型隨著其物理對(duì)應(yīng)物的變化而更新和變化。除了模擬/仿真物理對(duì)象、流程、人、地方等，更重要的是他們互相之間的關(guān)系。數(shù)字仿真鏡像和物理世界可以聯(lián)動(dòng)起來，數(shù)字世界可以通過預(yù)測(cè)試錯(cuò)等方式預(yù)判結(jié)果，自動(dòng)反饋到真實(shí)世界，從而自動(dòng)調(diào)整生產(chǎn)或者運(yùn)營(yíng)方式。數(shù)字孿生將人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)分析與網(wǎng)絡(luò)空間集成在一起，以創(chuàng)建數(shù)字仿真模型，隨著物理世界的變化而更新和更改。數(shù)字孿生系統(tǒng)不斷從多個(gè)來源學(xué)習(xí)和更新，以表示其實(shí)時(shí)狀態(tài)。該學(xué)習(xí)系統(tǒng)利用傳感器數(shù)據(jù)自學(xué)，并融合人類專家經(jīng)驗(yàn)和行業(yè)領(lǐng)域知識(shí)。

2 基本概念和理論原型

2.1 多粒度數(shù)字孿生系統(tǒng)工程模型

從工程視角看，數(shù)字孿生是系統(tǒng)工程，技術(shù)環(huán)節(jié)包括感(感知)、傳(傳輸)、控(控制)、管(管理)；基本功能包括決策指揮、管理控制、預(yù)測(cè)防控、數(shù)據(jù)治理；系統(tǒng)特征包括系統(tǒng)節(jié)能、系統(tǒng)魯棒、系統(tǒng)安全、系統(tǒng)柔性(見圖1)。

圖1 數(shù)字孿生工程內(nèi)涵

從實(shí)際應(yīng)用的視角分析，數(shù)字孿生應(yīng)用必然是一個(gè)多粒度(多層級(jí))上的呈現(xiàn)與實(shí)現(xiàn)，多粒度數(shù)字孿生系統(tǒng)工程模型DTM如圖2所示。定義多粒度數(shù)字孿生系統(tǒng)工程模型為DTM，則DTM={DT-CYDT-L3YDT-L2YDT-L1}。

圖2 多粒度數(shù)字孿生系統(tǒng)工程模型

多粒度數(shù)字孿生系統(tǒng)工程模型中，數(shù)字孿生單元(DT-L1)、數(shù)字孿生系統(tǒng)(DT-L2)、數(shù)字孿生體系(DT-L3)、數(shù)字孿生管理平臺(tái)(DT-C)依次具有包含關(guān)系，即DT-L2包含若干個(gè)DT-L1，DT-L3包含若干個(gè)DT-L2，DT-C包含若干個(gè)DT-L3。多粒度數(shù)字孿生系統(tǒng)工程通過縱向數(shù)據(jù)鏈與橫向數(shù)據(jù)鏈聯(lián)合驅(qū)動(dòng)、運(yùn)行保障網(wǎng)絡(luò)安全、數(shù)據(jù)安全、應(yīng)用安全，可實(shí)現(xiàn)全體系安全互聯(lián)互通數(shù)字工程。

從本質(zhì)上講，數(shù)字孿生是物理實(shí)體在信息空間中的建模、仿真、控制、管理、治理。建模解決物理實(shí)體數(shù)字映射問題，建立形態(tài)模型，如BIM，CAD，CAE完成的事情。仿真解決受控對(duì)象的系統(tǒng)仿真問題，建立系統(tǒng)仿真模型，如MATLAB完成的事情?？刂平鉀Q受控對(duì)象的自主控制問題，建立控制系統(tǒng)模型，如MATLAB Simulink完成的事情。管理解決社會(huì)對(duì)象的閉環(huán)管理問題，建立管理體系閉環(huán)，如城市管理完成的事情。治理解決社會(huì)對(duì)象的優(yōu)化進(jìn)化問題，建立治理體系閉環(huán)，如社會(huì)治理完成的事情。

在數(shù)字工程生態(tài)系統(tǒng)完整視圖中，自上而下嵌套的3層決策分析學(xué)分別代表規(guī)定性分析學(xué)、預(yù)測(cè)性分析學(xué)、描述性分析學(xué)。數(shù)字孿生的應(yīng)用將大大提高基于模型的系統(tǒng)工程實(shí)施水平，實(shí)現(xiàn)制造、建造前運(yùn)行，顛覆設(shè)計(jì)-制造-試驗(yàn)?zāi)Ｊ剑跀?shù)字空間中高效完成大部分分析試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)向設(shè)計(jì)-虛擬綜合-數(shù)字制造-物理制造的模式轉(zhuǎn)變。數(shù)字孿生模型可使產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、協(xié)同化、智能化設(shè)計(jì)與加工制造，實(shí)現(xiàn)可預(yù)測(cè)和可預(yù)防的使用前保障。

工業(yè)數(shù)字孿生分為DCS(分布式工業(yè)控制系統(tǒng))、MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))、ERP(企業(yè)管理系統(tǒng))、IIS(產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng))。DCS采用控制分散、操作和管理集中的設(shè)計(jì)思想，采用多層分級(jí)、合作自治的結(jié)構(gòu)形式，主要特征是集中管理和分散控制，依靠控制、運(yùn)算模塊靈活組態(tài)。MES系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)為精益生產(chǎn)、生產(chǎn)透明化、生產(chǎn)過程可追溯、信息管理智能化、信息真實(shí)性與及時(shí)性、生產(chǎn)成本最低化、物料管理專業(yè)化、控制方法優(yōu)異化、決策支持智慧化。MES系統(tǒng)可根據(jù)不同行業(yè)的生產(chǎn)鏈進(jìn)行個(gè)性化、柔性化設(shè)定。未來，以產(chǎn)品數(shù)字孿生為核心的MES系統(tǒng)將成為制造業(yè)智能化的主要方向。工業(yè)數(shù)字孿生金字塔如圖3所示。

圖3 工業(yè)數(shù)字孿生金字塔

2.2 數(shù)字孿生建造

數(shù)字孿生建造是以建造為目標(biāo)，以MBSE方法論為指導(dǎo)，以數(shù)字孿生為技術(shù)和管理手段，以建造產(chǎn)業(yè)鏈為流程紐帶的系統(tǒng)工程。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字孿生建造系統(tǒng)是指：以數(shù)據(jù)為智能建造系統(tǒng)全生命周期線索，通過應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)、建造系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)材料、裝備、環(huán)境、信息、能量、人、標(biāo)準(zhǔn)七大核心要素的數(shù)字化映射，建立建筑業(yè)多元異構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)物理空間與信息空間的實(shí)時(shí)控制與系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)物理上分散、邏輯上協(xié)同的虛實(shí)互動(dòng)統(tǒng)一智能建造體系。數(shù)字孿生建造理論包括建筑產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、建筑機(jī)器人、建造自動(dòng)化3個(gè)核心理論與信息安全1個(gè)保障分支(見圖4)。

圖4 數(shù)字孿生建造理論體系

2.3 綠色數(shù)字孿生建造

綠色數(shù)字孿生建造在數(shù)字孿生建造基礎(chǔ)上疊加綠色建造(包含綠色建筑、綠色建材、綠色施工、生態(tài)環(huán)保、新能源能分支)，并融入綠色、節(jié)能方法與技術(shù)(見圖5)。建筑產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)包含的產(chǎn)業(yè)鏈和場(chǎng)景應(yīng)考慮綠色特征；建造自動(dòng)化應(yīng)考慮負(fù)荷自適應(yīng)能量控制，變頻控制(變頻調(diào)速控制、變頻調(diào)光控制等)，建造過程工作流AI控制，網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化編排控制，多能流平衡控制(適用于零碳建筑、零碳房間、零碳社區(qū)、零碳園區(qū)、零碳城市等)等技術(shù)。

圖5 綠色數(shù)字孿生建造理論體系

2.4 數(shù)字孿生建造場(chǎng)景

數(shù)字孿生建造場(chǎng)景包括建筑物、市政設(shè)施、城鄉(xiāng)建設(shè)。每類場(chǎng)景下包括若干小類場(chǎng)景，如圖6所示。

圖6 數(shù)字孿生建造場(chǎng)景

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 AI+數(shù)字孿生建造

1)自主智能管控 強(qiáng)調(diào)人的干預(yù)成分盡可能少，未來趨勢(shì)是由“人在回路”逐漸過渡到“人出回路”。目前，人工智能發(fā)展正處于“人在回路”階段，需將人類智慧充分融入建筑系統(tǒng)。

2)可編程控制 云端、邊緣端的控制與管理是可編程、可組態(tài)的，流程可自定義，功能可自適應(yīng)業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行快速組合、定制開發(fā)。

3)存算一體 存儲(chǔ)和計(jì)算一體化，通過虛擬內(nèi)存管理、AI協(xié)同優(yōu)化等方式打通存儲(chǔ)和計(jì)算邊界，提升存儲(chǔ)計(jì)算效率。

4)數(shù)據(jù)智能 強(qiáng)調(diào)大數(shù)據(jù)與人工智能的融合，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)智能計(jì)算，具備大數(shù)據(jù)智能挖掘分析及智能建模能力。

數(shù)字孿生建造需要融入人工智能，才能實(shí)現(xiàn)以智能、主動(dòng)節(jié)能為特點(diǎn)的綠色數(shù)字孿生建造。

3.2 綠色數(shù)字孿生建造系統(tǒng)安全自主可控

國產(chǎn)化操作系統(tǒng)、軟件、硬件、通信協(xié)議可嵌入綠色數(shù)字孿生建造系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)的邊緣、網(wǎng)絡(luò)、云端，有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息的統(tǒng)一安全防護(hù)與管理。

綠色數(shù)字孿生建造系統(tǒng)具有分布式架構(gòu)、分布式軟總線、分布式數(shù)據(jù)管理及分布式安全能力。國產(chǎn)化操作系統(tǒng)、軟硬件是實(shí)現(xiàn)建筑行業(yè)計(jì)算安全、信息安全、供應(yīng)鏈安全的根本保障。

標(biāo)準(zhǔn)化綠色數(shù)字孿生建造系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，統(tǒng)一的設(shè)備語言，統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)語義，統(tǒng)一的集成接口，統(tǒng)一的通信協(xié)議，統(tǒng)一的認(rèn)證體系，為數(shù)據(jù)高效安全采集和流動(dòng)提供基礎(chǔ)，可從底層解決建筑設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化問題，使傳感器、控制器等設(shè)備向智慧建筑元宇宙方向升級(jí)，從而支撐業(yè)務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和創(chuàng)新。

3.3 綠色數(shù)字孿生建造元宇宙

綠色數(shù)字孿生建造元宇宙和城市元宇宙是元宇宙在特定行業(yè)領(lǐng)域中的形態(tài)之一，屬于行業(yè)元宇宙范疇。綠色數(shù)字孿生建造元宇宙是有機(jī)融合信息科學(xué)基礎(chǔ)理論、信息工程專業(yè)技術(shù)、行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用基本層級(jí)后產(chǎn)生的物理世界中的數(shù)字孿生世界，強(qiáng)調(diào)原始信息科學(xué)與技術(shù)對(duì)客觀世界的驅(qū)動(dòng)性、網(wǎng)絡(luò)虛擬空間中個(gè)體社交性及信息技術(shù)載體與應(yīng)用間的深度集成性。元宇宙分為3個(gè)層級(jí)：①信息科學(xué)基礎(chǔ)理論 包含數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、控制論、信息論、線性系統(tǒng)理論、非線性系統(tǒng)理論；②信息工程專業(yè)技術(shù) 包含自動(dòng)化、人工智能、大數(shù)據(jù)、通信、電氣、區(qū)塊鏈、VR、AR、軟件、數(shù)據(jù)庫；③行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用 包含建筑、水利、電力、工廠、鄉(xiāng)村、物流、社交、媒體。3個(gè)層級(jí)自下向上分別解決科學(xué)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的共性與個(gè)性問題，其內(nèi)容充分融合后產(chǎn)生元宇宙。城市元宇宙指有機(jī)融合信息科學(xué)基礎(chǔ)理論、信息工程專業(yè)技術(shù)、城市業(yè)務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用層級(jí)后產(chǎn)生的物理城市中的數(shù)字孿生虛擬鏡像。建造元宇宙和城市元宇宙等行業(yè)元宇宙應(yīng)注重以下幾方面的探索：①原始信息科學(xué)與技術(shù)對(duì)行業(yè)發(fā)展的驅(qū)動(dòng)方法；②行業(yè)網(wǎng)絡(luò)虛擬空間構(gòu)建；③行業(yè)管理方、企業(yè)、個(gè)體間的協(xié)作方法；④信息科技與行業(yè)應(yīng)用間的深度集成方式。元宇宙及城市元宇宙如圖7所示。

圖7 元宇宙及城市元宇宙

元宇宙產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要解決虛擬數(shù)字空間中身份唯一、數(shù)據(jù)真實(shí)性、模型精準(zhǔn)性、人機(jī)交互與意識(shí)交流問題。

綠色數(shù)字孿生建造元宇宙產(chǎn)業(yè)化落地路徑為產(chǎn)品、產(chǎn)業(yè)鏈、生態(tài)圈、人才。需要開發(fā)綠色數(shù)字孿生建造產(chǎn)品，如綠色數(shù)字孿生建造管理決策虛擬數(shù)字人、綠色數(shù)字孿生建造大數(shù)據(jù)交易平臺(tái)、綠色數(shù)字孿生建造碳感知裝置、綠色數(shù)字孿生建造碳交易平臺(tái)，并塑造綠色數(shù)字孿生建造產(chǎn)業(yè)鏈，打造綠色數(shù)字孿生建造生態(tài)圈，培養(yǎng)綠色數(shù)字孿生建造專業(yè)人才。

4 國家速滑館可組態(tài)智慧建筑管理平臺(tái)

某智慧建筑公司開發(fā)的智慧建筑管理平臺(tái)可依據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行模塊化、組態(tài)化、搭積木式業(yè)務(wù)建模。智慧建筑管理平臺(tái)采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，支持智能物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，平臺(tái)內(nèi)置事件、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、動(dòng)作等規(guī)則子庫，支持算子定制，可快速應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的建筑物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景需求。可組態(tài)建筑管理平臺(tái)業(yè)務(wù)建模過程如圖8所示。

圖8 可組態(tài)建筑管理平臺(tái)業(yè)務(wù)建模過程

將該智慧建筑管理平臺(tái)應(yīng)用于北京冬奧會(huì)國家速滑館(冰絲帶)項(xiàng)目。該項(xiàng)目建筑面積約8萬m2，冰面面積達(dá)12 000m2，是亞洲奧運(yùn)競(jìng)賽場(chǎng)館最大冰面，也是全球首個(gè)采用二氧化碳跨臨界直冷制冰技術(shù)的冬奧會(huì)速滑場(chǎng)館。該平臺(tái)接入信息化應(yīng)用系統(tǒng)、信息設(shè)施系統(tǒng)、建筑設(shè)備管理系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、制冰系統(tǒng)，細(xì)分為36個(gè)子系統(tǒng)。接入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)點(diǎn)位超過10萬點(diǎn)(海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù))。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)外溫濕度，監(jiān)控調(diào)節(jié)制冰系統(tǒng)、除濕系統(tǒng)、座椅送風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、排風(fēng)機(jī)系統(tǒng)、熱回收系統(tǒng)，聯(lián)動(dòng)多設(shè)備多系統(tǒng)，精準(zhǔn)控制氣流組織、風(fēng)速、溫度，最終滿足競(jìng)賽AI智能輔助、觀眾席溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)、高清視頻轉(zhuǎn)播等需求。國家速滑館智能化集成平臺(tái)及項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)情況如圖9所示。

圖9 國家速滑館智能化集成平臺(tái)及項(xiàng)目

5 綠色數(shù)字孿生建造發(fā)展展望

目前，國防、工業(yè)、城市等領(lǐng)域紛紛提出對(duì)數(shù)字孿生的理解，并著手開發(fā)相應(yīng)系統(tǒng)。從全球范圍看，數(shù)字孿生尚無被普遍認(rèn)可的確切定義及完整理論技術(shù)體系，數(shù)字孿生理論、技術(shù)、應(yīng)用總體上處于起步階段。數(shù)字孿生七要素總結(jié)為物理空間、數(shù)字空間、數(shù)據(jù)、模型、控制、管理、服務(wù)。數(shù)字孿生建造和綠色數(shù)字孿生建造發(fā)展與數(shù)字孿生七要素發(fā)展密切相關(guān)。未來5～10年，隨著國家“雙碳”戰(zhàn)略的深度推進(jìn)及智能建造行業(yè)的發(fā)展，綠色數(shù)字孿生建造發(fā)展將迎來黃金期。綠色數(shù)字孿生建造發(fā)展將孵化新技術(shù)、新產(chǎn)品，以場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)方式帶動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新與變革；將培育出綠色智慧建造產(chǎn)業(yè)鏈，為建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)注入新動(dòng)能；將支撐綠色智慧城市長(zhǎng)足發(fā)展，為城市轉(zhuǎn)型升級(jí)夯實(shí)基礎(chǔ)。

中國建造、中國制造、中國創(chuàng)造是我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的三大支柱。在碳達(dá)峰、碳中和(雙碳)和數(shù)字經(jīng)濟(jì)浪潮下，中國建造、中國制造均面臨數(shù)字化、綠色化轉(zhuǎn)型的歷史命題，對(duì)我國現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)體系構(gòu)建起關(guān)鍵作用。全球第4次工業(yè)革命是以智能和綠色為核心特征的產(chǎn)業(yè)迭代升級(jí)，產(chǎn)生的本質(zhì)影響是提高生產(chǎn)能力、變革生產(chǎn)組織模式、變革能源利用方式。綠色數(shù)字孿生建造在不可逆轉(zhuǎn)的宏觀歷史趨勢(shì)下，將奠定經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)基石，同時(shí)成為我國城市發(fā)展的重要行業(yè)載體。