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根据西门子的说法，数字孪生有四个关键组成部分：1）语义数据层，为逻辑表示和查询构建数据； 2) 以非专家系统用户可以使用的方式可视化信息的能力； 3) 关联数据以提供可导致结果的见解的能力； 4) 视觉 2D、3D 或点云表示。
在智能建筑领域，我们经常听到数字孪生的好处，它通过使用来自建筑环境的实时数据作为项目的虚拟表示来连接物理世界和数字世界。该技术可以让业主和运营商更好地了解他们的建筑性能，帮助他们快速发现问题、优化效率、提高安全性和空间利用率，并模拟潜在的新智能建筑技术的影响。
虽然数字孪生技术可能看起来有点未来感，但它开始在智能建筑领域占据一席之地。建筑业主和运营商可以从了解该概念的工作原理、其潜在优势以及采用的关键考虑因素中受益。
一个发展了几十年的概念
数字孪生技术在制造业中得到认可，是在本世纪初，时任数字孪生研究所(Digital twin Institute)执行主任的迈克尔•格里夫斯(Michael Grieves)在密歇根大学(University of Michigan)的产品生命周期管理(PLM)课程中提出了这一概念。
“在这个概念被引入的时候，实际物理产品的数字表示还相对较新和不成熟。此外，在生产过程中，有关实物产品的信息收集是有限的，只能手工收集，而且大多是基于纸张。”Grieves 解释说。 “在接下来的几十年里，支持虚拟产品开发和维护以及实体产品设计和制造的信息技术爆炸式增长。”
Michael Grieves 和 John Vickers 最初分别为 NASA 的阿波罗计划概念化并命名了数字双胞胎。
这个概念被与格里夫斯合作的美国宇航局的约翰维克斯称为“Digital Twin，数字双胞胎或数字孪生”。事实上，美国宇航局自20世纪60年代就开始实践孪生的基本概念，当时它在地面上复制了空间系统，以评估和模拟阿波罗13号上的条件。基于物理系统的数字信息结构可以作为实体来创建的思想，原始概念模型包含三个部分：真实空间中的物理产品；虚拟空间中的虚拟产品；以及将虚拟产品和真实产品联系在一起的数据和信息的联系。
技术的进步使数字孪生的概念从物理表示演变为完全虚拟的表示。但这仍然是行业领导者正在努力描述的一个相对难以捉摸的想法。
“数字孪生的概念从用于制造到建筑方面已经走过了漫长的道路，但它仍然是一个行业笑话，如果你问五个人什么是数字孪生，你会得到七个不同的答案， ”美国西门子智能基础设施解决方案工程经理和数字企业企业解决方案架构师 Kunal Chitre 说。 “今天，我们将数字孪生确定为具有四个关键组成部分：一个语义数据层，用于为逻辑表示和查询构建数据；以非专家系统用户可以使用的方式可视化该信息的能力；关联数据以提供可导致结果的见解的能力；以及视觉 2D、3D 或点云表示。”
一个常见的混淆点是数字孪生与建筑信息模型 (BIM) 之间的区别，这是另一种已有数十年历史的技术。 BIM 不是为实现智能建筑性能提供一个活生生的模型，而是倾向于关注物理空间，并帮助建筑师和工程师完成设计-建造过程。今天，BIM 本身主要用于帮助促进行业之间的协作、减少错误以及管理材料和预算——但这并不意味着它不是数字孪生的组成部分，或者数字孪生不能在施工期间使用。数字孪生联盟是一个成员驱动的协作社区，致力于数字孪生的整体开发，甚至提供免费的网络研讨会“从 BIM 到孪生”来区分概念并解释它们的关系。
“BIM 是为视觉表示提供输入的关键，这是数字孪生的主要组成部分之一，”Chitre 解释说。“但它肯定不是唯一的部分。数字孪生也可以从施工阶段开始使用。例如，我们可以模拟通过空间的气流，以查看静止和动态物体（如家具、隔板和人）对空气交换率和空间温度分布的影响。或者我们可以使用该技术创建疏散“这可能表明需要将门设计得更宽，或者重新配置疏散路线。这里确实有数百个用例。”
根据 Digital Twin Consortium 首席技术官 Dan Isaacs 的说法，数字孪生的创建还取决于对数字化转型的认识和采用程度。 “数字孪生是不同组件的组合，我们正在努力发布有关如何构建它们的最佳实践指南，”他说。 “一种整体方法是首先确定数字孪生被‘雇用’来执行的工作。只有这样，人们才能确定最合适的技术来满足要求并了解创建数字孪生所需的数据特征和属性。”
飞速发展新兴趋势和技术
COVID-19 大流行无疑是最近数字孪生技术发展的关键驱动因素。建筑业主和运营商可以通过持续监控和跟踪运动来评估传播风险，借助数字孪生帮助确保建筑居住者的健康。该技术还可用于帮助管理人员计划以安全的方式返回办公室。 Markets and Markets 2020 年 9 月的全球预测预测数字孪生市场将从 2020 年的 31 亿美元增长到 2026 年的 482 亿美元（复合年增长率为 58%），特别指出由于 COVID-19 大流行医疗保健和制药行业对数字孪生的需求不断增长。
推动数字孪生技术的另一个全球性问题是气候变化。 “我们的几个成员积极参与气候相关问题，并与业主和开发商合作，应用数字孪生来提高效率和减少碳足迹，”Isaacs 说。 “我们还看到大学拥有的场所，特别是企业中心和生活实验室，推动了前进的道路。我相信我们将看到创新区结合起来充当微型智慧城市，使用数字孪生技术来解决气候和医疗保健紧急情况。”
新兴的物联网技术也在推动数字孪生技术的进步。它们能够收集和分析来自越来越多的 OT 和 IT 系统和传感器的细粒度和可操作的建筑数据。Mind Commerce 2021 年 3 月的一份市场报告预测，到 2026 年，多达 91% 的物联网平台将包含某种形式的数字孪生功能。
Compass Intelligence 首席执行官 Stephanie Atkinson 认为，围绕元宇宙的炒作将导致供应商之间开展更多合作，并使用虚拟化技术，使数字孪生技术能够提供接近现实的情境体验。
“虽然物联网领导者一直在吹捧数字双胞胎技术和用例，但我们仍处于初期阶段，刚刚进入早期采用阶段。但这项技术现在正受到其他先进技术的推动，例如 5G 连接、增强现实（AR）和虚拟现实（VR）、人工智能以及机器学习（ML）和深度学习（DL），”总部设在德克萨斯州的领先的技术咨询和市场研究公司 Compass Intelligence 创始人兼首席执行官Stephanie Atkinson说。 “现在随着元宇宙[虚拟现实空间] 的全面炒作，我们将看到供应商之间的更多合作以及虚拟化的使用，这将使数字孪生技术能够提供与真实事物一样接近情景的体验。”
Isaacs同意最近在现实捕捉和虚拟化领域的进展已经开始应用到数字孪生技术。“我们也看到越来越多的人使用混合现实来展示数字双胞胎的价值。未来的趋势包括更多的自主操作，允许数字双胞胎之间的交互和信息交换，这将通过Web 3.0区块链技术实现。”混合现实将虚拟世界和物理世界混合在一起，允许用户与两者的元素进行交互。例如，设施经理可能会在实际的物理空间中对建筑系统进行更改，以体验其影响。
上述市场报告还发现，超过 95% 的供应商认识到需要应用程序编程接口 (API) 来实现与数字孪生功能的平台集成。西门子、微软的 Azure 数字孪生和江森自控 OpenBlue 等数字孪生平台即服务 (PaaS) 提供商都主要由 API 驱动。 Mapped 和 Eclipse Ditto 等公司提供后端框架以简化从连接的建筑系统和设备访问数据以创建数字孪生，它们也可以利用 API。西门子的 Chitre 说：“所有协议都在多个级别上到位，除非数据来自非常传统的系统并且需要更换，否则数据来自何处并不重要。” “通过强大的合作伙伴生态系统和 API 集成，我们能够获取数据并理解它。”
Chitre还指出，云计算是另一个关键驱动因素。他说:“在建筑工地和云之间的边缘进行了一些处理，数字孪生可以在本地虚拟机上运行，在设计过程中提供实时模拟。”“但我们正在利用云的力量，通过语义标记，并使用人工智能和机器学习技术来满足用例，为结构化、非结构化和半结构化数据添加某种程度的感觉。假设一个设施经理收到警报说大楼里出了问题。如果数据是有意义的，并且以一种允许机器查明根本原因的格式表示，那么潜在的问题就可以得到解决。这就是数字孪生的发展方式。”
未来前景
虽然数字孪生的采用仍处于早期阶段，但其好处和用例显示了巨大的潜力。许多专家认为这项技术是未来智能建筑的核心。
Atkinson说:“一个智能建筑数字孪生可以提供一个资产、基础设施、系统、运营和技术的完整复制品。”“我们谈论的是电梯、暖通空调系统、监控系统、门锁、照明、运动传感器、摄像头、窗户、宽带和WiFi。这样的例子不胜枚举。将所有这些资产复制到一个数字孪生中，可以让建筑业主和运营商测试他们需要、希望和预期发生的结果。”她解释说，模拟可能会探索如果灯亮着，如果发生火灾，或者如果安全漏洞发生，会发生什么。“而且，”她补充道，“这一切都在不影响资产或建筑的情况下发生，提供了操纵、测试和模拟智能建筑解决方案的能力。”
与 BIM 文件不同，BIM 文件通常会在施工完成后搁置到下一次重大改造之前，数字孪生是一个活生生的实体，它使用实时或近实时信息持续更新，以持续了解日常运营和居住者行为。因此，该技术对更广泛的利益相关者更具有潜力。
西门子美国智能基础设施公司(Siemens Smart Infrastructure USA)数字企业副总裁本•德怀尔(Ben Dwyer)表示:“有些开发商利用这项技术来吸引顶级租户，但这主要是由租户本身以及首席技术官和首席信息官与房地产的结合推动的。”“虽然目前40%到50%的参与是围绕着减少能源消耗和为股东报告ESG目标，但它当然不限于效率和可持续性。它可以是人力资源主管，试图优化空间，改善员工的工作体验，或者决定如何配置一个空间，使其更安全。甚至可能是访客和客人在使用这项技术。该技术适用于企业组织的每一个垂直领域和每一个层次。”
Atkinson同意几乎每个市场都将从数字孪生中受益。 “有许多子行业非常适合数字孪生技术，包括公寓、商业办公室、高层建筑、学校和大学、农业、航空、制造业，甚至整个智慧城市，”她说。 “任何数字孪生用例，只要围绕性能和资产监控、操作感知、实时可见性和自动化提供了清晰的ROI，都适用于任何领域。”
采用挑战和注意事项
一些早期采用者已经在展示数字孪生功能。新加坡和上海使用数字孪生来改善能源消耗、交通流量和城市规划。迪拜世博会将持续到 2022 年 3 月，它将被改造成 2020 年的未来混合用途智慧城市区。它正在使用数字孪生技术来确保可持续发展，并为其未来的公民提供一个清洁、安全和健康的环境。例如，爱沙尼亚塔林理工大学的研究人员正在为未来城市的虚拟“绿色孪生”添加动态植物生命，以确定城市植物群如何随时间变化并影响城市生态系统，帮助城市规划者了解他们需要在哪里添加更多的阴凉处或当树木落叶时秋风会吹来的地方。
尽管有高价值的用例，但智能建筑的全 3D 虚拟实时表示对于业主和运营商来说似乎有点令人生畏并且遥不可及。
“虽然拥有资金实力和房地产投资组合的客户正在采用数字孪生解决方案，但这项技术和我们正在进行的开发的美妙之处在于，那些没有能力花很多钱但有远见的客户仍然可以受益。”西门子的 Dwyer说。“也许他们不需要一个完整的3D解决方案，只是刚刚开始捕捉和分析数据。有很多唾手可得的东西可以马上解决，我们可以从小事做起，享受小事带来的好处。这让客户能够见证其影响，获得进一步的支持，并随着时间的推移制定出投资步骤，因此这是一个循序渐进的过程，不会让客户倾尽所有。”
Compass Intelligence首席执行官Atkinson同意从小处着手，尤其是已经开始收集数据的智能建筑系统。所有收集和分析的数据都应该有目的，她补充道:“并非所有ROI 都与成本节约或预算影响有关；有些可能与其他目标相关联，如减少安全隐患、改善租户体验或预测性维护以避免设备故障。数据应该是特定于用例的，并取决于构建的类型、期望的结果或[其他]因素，如设备、软件、平台规格，以及数据是结构化数据还是非结构化数据。不管考虑的是哪种类型或级别的数字孪生产品和数据，供应商都应该能够明确他们的解决方案的ROI，无论是定性的还是定量的，包括提供sla(服务水平协议)。”
然而，在智能建筑行业中，由于缺乏开放、实时和高质量的、易于集成的可用格式的数据，以及缺乏数据标准，数字孪生的广泛应用受到了挑战。这些挑战正在通过协会和合作伙伴关系来解决，如数字孪生联盟，该联盟正在努力开发开放的数字孪生生态系统并推动互操作性。
联盟的Isaacs说:“要想让数字孪生产品走在最前面，并增加可访问性，就需要教育、降低价格以实现大众化使用、降低适应性和可重构性，以及增加生态系统的协作。”“我们成员的新平台和创新解决方案正在不断试点和发布，以解决这些和其他相关领域的问题。”
在研发方面投入大量精力的解决方案提供商，如西门子，对数字孪生技术的未来持乐观态度。Chitre表示:“我们正在全球部署多种语言的数字孪生，所以你可以想象我们付出的努力有多大。”“但并不是每个用例都适用于一个平台——有多个数字孪生用于不同的系统，但随着技术的发展，融合到一个单一的平台将会改善。”它可能是压倒性的。但如果你有一个传感器，可以给你数据，可能性是无限的。”
