数字孪生(Digital Twin)是一个我们听的越来越多的术语,模袋云一直以来也都致力于搭建最完善的开发者平台赋能数字孪生平台建设,创始人苏奇也曾发表过《详解数字孪生》一文,介绍数字孪生的概念。


 

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《详解数字孪生》


 

苏奇,公众号:模袋云详解数字孪生


 

其实数字孪生在不同的语境下可能会代表着许多不同的事物,而且愈发有代替已经被“滥用”的BIM一词。


 

而提到数字孪生就不得不提一下支持数字孪生技术发展的中流砥柱Bentley。


 

Bentley的数字孪生项目


 

建筑信息建模(BIM)一词已经有超过20年的历史了,随着时间的推移,它已经从一个术语变成了普通词汇。现在,随着新的工作流程和工具的出现,数字孪生大有超过BIM成为buzzword之势。


 

数字孪生模型是桥梁、轨道甚至整个城市等物理资产的对应物高精度的数字模型。通常,数字孪生模型可以基于传感器和持续勘测等多个来源持续同步,可以近乎实时地表示状态、工况或位置。在各种基础设施和工业领域中,数字孪生模型用于优化物理资产、系统和制造流程的运营和维护。


 

通俗地理解,BIM是一个提供设计三维模型的过程,而数字孪生会使用模型,并提供数据来增强模型,以便进行性能模拟或在建筑物或资产生命周期内进行维护。


 

将现实建模与BIM数据相结合的数字孪生


 

这个概念从定义上来讲是没问题的,但在现实中,设计和施工总会有偏差,模型和建筑未必一样。如果数字孪生和对应的建筑资产不匹配,那它就不是孪生。


 

也就是说,数字孪生是对精度有要求的。假设我们达到了这样的精度,应该如何利用数字孪生呢?要做到数字孪生,建筑或资产是否要通过物联网的传感器进行“实时”连接,或者每隔几个月重新捕获一个现实模型来监控和评估不断变化的情况?类似的问题还有很多。


 


 

押宝数字孪生的Bentley 
 


 

Bentley Systems在数字孪生上可是压了大注。Bentley 2019年10月在新加坡举办的纵览基础设施大会上,数字孪生是一大亮点,很多内容都是关于创建围绕数字孪生的工作流程,并利用来自民用、建筑、工厂和运输的各种项目的数据资产。


 

Bentley的CEO Greg Bentley


 

公司首席执行官Greg Bentley解释说:“我们已做软件来生产有用的交付成果,但它是静态的。我们在数字孪生中的目标是,使这些可交付成果的价值持续于资产的整个使用寿命,将隐藏在黑暗中的建筑数据公开,使其随时间的变化同步,实现身临其境的可视化效果。”


 

“更重要的是,分析的可见性。这包括了数字孪生随着时间的推移的分析,也就是四维的。”


 

Bentley接着说,CAD、GIS、扫描和BIM数据的组合,使数字孪生与IoT传感器结合,可以帮助模拟和解释真实世界的性能表现。Bentley Systems的数字孪生主要是为业主/运营商提供便利。


 

iTwins 会持续更新资产的数据,用于了解资产的性能


 

显然,只有在生命周期中持续同步和维护数字模型,得到的数据才是孪生数据。Bentley也在加强其倾斜摄影或激光扫描的现实捕获能力,能够对建筑或城市、基础设施和建筑资产进行高度精确扫描和捕获,并将其转换为"现实网格"。使用此技术和Bentley的iTwin服务(用于管理基础设施数字孪生的平台)可以保持原始BIM模型与实际资产保持同步。


 

Bentley的CTO Keith Bentley


 

Bentley的CTO Keith Bentley解释说,“除了城市的应用外,民用应用是我们看到的第二大数字孪生使用案例,例如使用无人机和AI来预测性地识别裂缝,并在数字孪生的模型中映射出来。我们展示的城市模型是另一个很好的例子。但是,一个城市的数字孪生和一个设施的数字孪生是两回事。”


 

“城市模型需要上下文信息。我们有GIS数据,有建筑的轮廓,但这些信息不会像设施的信息那样详细。但参与供水系统的公司希望能够全面了解城市的运作,看到相关的模型和他们的供水系统或管道系统模型之间的联系。这才是人们试图去构建的东西。”


 

iModel.js 是一个开源平台,用于创建、访问、利用和集成基础设施数字孪生


 


 


 

“五步走”与“下定义” 
 


 

Bentley设计集成业务部门的SVP Santanu Das展示了一个数字孪生执行的“五步走”计划。


 

首先是将要进行数据孪生的资产在地球上进行定位。下一阶段是将关联数据聚合到3D模型中,并在云端进行存储,方便协作。第三阶段是添加4D的时间线。阶段四是将IoT设备连接到资产上。最后是使用分析来获取实时性能的可见性,让实时性能可以链接到数字孪生,以提供自动报告、警告或对预测性维护进行规划。


 

起点实际上是创建BIM模型,并收集和引用从规划、设计和施工到运营的所有数据到模型中。


 

在现实世界中,BIM模型主要用于创建建筑图纸,有些BIM模型还会附带一个COBie文件,它提供了建筑物中可操作项目的列表。当然,可能也有针对施工的BIM模型。数字孪生则是原始3D模型顶层和增强层,需要一种整体的数据收集和存储方法。


 

Bentley进一步提出了“项目数字孪生”和“性能数字孪生”的概念。


 

项目数字孪生是参与设计和建造任何资产的前端工作。这类似于今天的BIM流程,即创建一个多层模型与相关的图纸和项目信息。它还可以有一个4D时间线,提供“谁在什么时间做了什么事”的记录,以及模拟施工、物流和制造序列的信息。


 

性能数字孪生用于在生命周期内进行模拟、操作的已构建资产,它来自原始BIM的设计数据,在某些情况下也可能是基于实际的建筑的现实模型创建。一般来说项目数字孪生只有一个,但性能数字孪生可以有多个,以适应多个生命周期的任务,比如监测能源使用、行人流量、空间利用、交通流量、设施管理等。在性能数字孪生中,可以使用人工智能或机器学习进行分析,以获得可见性和洞察力,帮助提高资产的有效性。


 

显然,有很多现有的建筑和基础设施可能是使用传统的2D绘图流程开发的。在这种情况下,需要通过激光扫描或倾斜摄影来测量创建模型。如果需要智能模型,则需要从扫描数据中重新建模。


 

由于需要将这么多数据整理在一起,Bentley还开发了iModel.js技术,将云中的数据处理成一种具有多分辨率的格式,与Google地图的工作方式类似。如果你放大区域,可以获得更详细的视图。使用iModel.js可以有多个获得不同细节程度的模型,这些模型都具备版本、链接和关系数据。这个模型的规模几乎可以是无限的,甚至可以包含一个国家一样大的数据。这只能在服务器上完成。


 

由Topcon无人机捕获并使用Bentley ContextCapture处理的剑桥大学工程系大楼和周围场地的现实模型


 


 


 

数字孪生究竟能带来什么好处 
 


 

Bentley展示了与壳牌的项目。壳牌的项目工程VP Sada Iyer解释了能源市场的关注点的转移。过去的关注重点是资本效率,而现在是生命周期的优化。


 

对于壳牌来说,数字孪生是物理元素的虚拟表示,以及资产在其生命周期中的动态行为。它从3D模型开始,通过可视化工具连接到项目执行计划,实现数字化模拟,从而实现更好的施工规划、关键路径分析,然后所有这些数据流进一个已建成的数字孪生。


 

这与动态仿真模型和过程分析相连接。如果因流程需要而进行更改,数字孪生可以查看更改可能产生的影响。这使得壳牌节省了时间,提升了设施的优化效果。


 

微软也在围绕智能建筑进行数字化转型。微软在新加坡的办公地点Frasers Tower大楼,已经被连接到Azure云端的数字孪生,以对数字孪生技术进行测试,并将其反馈的信息应用于办公室的布局和运营。系统每五分钟提供一次实时更新。


 

微软也在Redmond园区使用了自家技术。为了降低成本,微软使用了200万个传感器将所有145栋建筑连接起来,通过数千种机器学习算法,能够根据对业务的潜在成本影响,确定待修复问题的优先级。这个系统每年要花费200万英镑的运行费用,但它在18个月内就收回了成本。


 

微软也在研究建筑的利用方式,使用IoT传感器监控不同时间建筑的占用水平、使用能源的情况,甚至分析哪些团队沟通最多,并将这些团队放在临近的位置,缩短他们的沟通距离,还可以分析会议室的使用情况,以及谁预订了会议室却没有使用。类似这样的数据可以帮助业主查看建筑物的使用是否还可以进一步优化。


 

微软还在园区内使用行人模拟来计算人们离开大楼需要多长时间。这有助于预测,如果将地铁站的位置向北移动一个街区,会对行人、交通、停车甚至商业造成什么影响。


 

中国交通建设集团第一公路工程局也是数字孪生的应用者。它模拟了一条68公里长的高速公路,其中包括30多座桥梁,预算约70亿美元。公司使用了通过摄影搭建的现有资产的数字孪生,生成了现有道路和地形的现实模型。概念设计是在Bentley OpenRoads ConceptStation中完成的,施工后,操作员会使用相同的模型进行交通模拟,决定未来是否要对道路进行拓宽。


 

通过Bentley AssetWise平台上的仪表板查看设施模型和运营数据


 

当然,还有一些问题需要回答,比如,数字孪生需要详细的3D模型吗?因为在现实中,它可能只需要有与你的数字孪生的用途相关的信息。


 

此外,如果不部署实时连接的IoT设备,甚至是不使用IoT,那么应该如何对资产进行定期检查,并进行数据的更新?此外很多定义也尚未明确。


 

很显然Bentley Systems在过去五年下了大功夫:从现实模型的获取、资产管理工具的开发,到去年发布开源的iModel.js,以及建立Azure云端的底层架构和分析工具的部署,但实际情况仍是任重而道远。


 

BIM仍在挑动着业主的神经,但很多巨头已经意识到了资产的使用寿命和维护的价值,并知道他们可以通过全生命周期的管理来节省资金。这给了数字孪生无线的前景。或许,是时候搞清楚BIM和数字孪生的区别了。


 


 


 

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