綠色數字孿生建造概念、理論原型及關鍵技術*

杜明芳

(清華大學信息國家研究中心，北京 100062)

1 研究背景

建筑自動化的發展歷程大致可以總結為單機(單系統)自動化、綜合自動化、數字孿生自動化3個階段。融合數字孿生、綠色節能技術的綠色數字孿生建造是未來建筑業轉型升級的主流方向。當前，傳統建筑業亟需數字化、工業化、智能化轉型升級。住房和城鄉建設部印發的《“十四五”建筑業發展規劃》指出：對標2035年遠景目標，初步形成建筑業高質量發展體系框架，建筑市場運行機制更加完善，營商環境和產業結構不斷優化，建筑市場秩序明顯改善，工程質量安全保障體系基本健全，建筑工業化、數字化、智能化水平大幅提升，建造方式綠色轉型成效顯著，加速建筑業由大向強轉變，為形成強大的國內市場、構建新發展格局提供支撐。提出7個方面的主要任務，首要任務是加快智能建造與新型建筑工業化協同發展，即完善智能建造政策和產業體系，夯實標準化和數字化基礎，推廣數字化協同設計，大力發展裝配式建筑，打造建筑產業互聯網平臺，加快建筑機器人研發和應用，推廣綠色建造方式。本文所述“綠色數字孿生建造”正是在這一政策背景下提出的，旨在為“十四五”時期我國的建筑工業化提供有效實施策略與先進技術支撐，能夠為促進工業4.0時代世界建筑業的發展提供中國方案。

根據維基百科的解釋，數字孿生(digital twin)是指以數字化方式拷貝一個物理對象、流程、人、地方、系統和設備等。數字化的表示提供了物聯網設備在其整個生命周期中如何運作的元素和動態。數字孿生將人工智能、機器學習和軟件分析與空間網絡圖相集成以創建活生生的數字仿真模型，這些模型隨著其物理對應物的變化而更新和變化。除了模擬/仿真物理對象、流程、人、地方等，更重要的是他們互相之間的關系。數字仿真鏡像和物理世界可以聯動起來，數字世界可以通過預測試錯等方式預判結果，自動反饋到真實世界，從而自動調整生產或者運營方式。數字孿生將人工智能、機器學習、數據分析與網絡空間集成在一起，以創建數字仿真模型，隨著物理世界的變化而更新和更改。數字孿生系統不斷從多個來源學習和更新，以表示其實時狀態。該學習系統利用傳感器數據自學，并融合人類專家經驗和行業領域知識。

2 基本概念和理論原型

2.1 多粒度數字孿生系統工程模型

從工程視角看，數字孿生是系統工程，技術環節包括感(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、預測防控、數據治理；系統特征包括系統節能、系統魯棒、系統安全、系統柔性(見圖1)。

圖1 數字孿生工程內涵

從實際應用的視角分析，數字孿生應用必然是一個多粒度(多層級)上的呈現與實現，多粒度數字孿生系統工程模型DTM如圖2所示。定義多粒度數字孿生系統工程模型為DTM，則DTM={DT-CYDT-L3YDT-L2YDT-L1}。

圖2 多粒度數字孿生系統工程模型

多粒度數字孿生系統工程模型中，數字孿生單元(DT-L1)、數字孿生系統(DT-L2)、數字孿生體系(DT-L3)、數字孿生管理平臺(DT-C)依次具有包含關系，即DT-L2包含若干個DT-L1，DT-L3包含若干個DT-L2，DT-C包含若干個DT-L3。多粒度數字孿生系統工程通過縱向數據鏈與橫向數據鏈聯合驅動、運行保障網絡安全、數據安全、應用安全，可實現全體系安全互聯互通數字工程。

從本質上講，數字孿生是物理實體在信息空間中的建模、仿真、控制、管理、治理。建模解決物理實體數字映射問題，建立形態模型，如BIM，CAD，CAE完成的事情。仿真解決受控對象的系統仿真問題，建立系統仿真模型，如MATLAB完成的事情。控制解決受控對象的自主控制問題，建立控制系統模型，如MATLAB Simulink完成的事情。管理解決社會對象的閉環管理問題，建立管理體系閉環，如城市管理完成的事情。治理解決社會對象的優化進化問題，建立治理體系閉環，如社會治理完成的事情。

在數字工程生態系統完整視圖中，自上而下嵌套的3層決策分析學分別代表規定性分析學、預測性分析學、描述性分析學。數字孿生的應用將大大提高基于模型的系統工程實施水平，實現制造、建造前運行，顛覆設計-制造-試驗模式，在數字空間中高效完成大部分分析試驗，實現向設計-虛擬綜合-數字制造-物理制造的模式轉變。數字孿生模型可使產品實現標準化、協同化、智能化設計與加工制造，實現可預測和可預防的使用前保障。

工業數字孿生分為DCS(分布式工業控制系統)、MES(制造執行系統)、ERP(企業管理系統)、IIS(產業互聯網系統)。DCS采用控制分散、操作和管理集中的設計思想，采用多層分級、合作自治的結構形式，主要特征是集中管理和分散控制，依靠控制、運算模塊靈活組態。MES系統優勢為精益生產、生產透明化、生產過程可追溯、信息管理智能化、信息真實性與及時性、生產成本最低化、物料管理專業化、控制方法優異化、決策支持智慧化。MES系統可根據不同行業的生產鏈進行個性化、柔性化設定。未來，以產品數字孿生為核心的MES系統將成為制造業智能化的主要方向。工業數字孿生金字塔如圖3所示。

圖3 工業數字孿生金字塔

2.2 數字孿生建造

數字孿生建造是以建造為目標，以MBSE方法論為指導，以數字孿生為技術和管理手段，以建造產業鏈為流程紐帶的系統工程。數據驅動的數字孿生建造系統是指：以數據為智能建造系統全生命周期線索，通過應用數字孿生技術、建造系統實現材料、裝備、環境、信息、能量、人、標準七大核心要素的數字化映射，建立建筑業多元異構模型，實現物理空間與信息空間的實時控制與系統集成，實現物理上分散、邏輯上協同的虛實互動統一智能建造體系。數字孿生建造理論包括建筑產業互聯網、建筑機器人、建造自動化3個核心理論與信息安全1個保障分支(見圖4)。

圖4 數字孿生建造理論體系

2.3 綠色數字孿生建造

綠色數字孿生建造在數字孿生建造基礎上疊加綠色建造(包含綠色建筑、綠色建材、綠色施工、生態環保、新能源能分支)，并融入綠色、節能方法與技術(見圖5)。建筑產業互聯網包含的產業鏈和場景應考慮綠色特征；建造自動化應考慮負荷自適應能量控制，變頻控制(變頻調速控制、變頻調光控制等)，建造過程工作流AI控制，網絡自動化編排控制，多能流平衡控制(適用于零碳建筑、零碳房間、零碳社區、零碳園區、零碳城市等)等技術。

圖5 綠色數字孿生建造理論體系

2.4 數字孿生建造場景

數字孿生建造場景包括建筑物、市政設施、城鄉建設。每類場景下包括若干小類場景，如圖6所示。

圖6 數字孿生建造場景

3 關鍵技術

3.1 AI+數字孿生建造

1)自主智能管控 強調人的干預成分盡可能少，未來趨勢是由“人在回路”逐漸過渡到“人出回路”。目前，人工智能發展正處于“人在回路”階段，需將人類智慧充分融入建筑系統。

2)可編程控制 云端、邊緣端的控制與管理是可編程、可組態的，流程可自定義，功能可自適應業務系統進行快速組合、定制開發。

3)存算一體 存儲和計算一體化，通過虛擬內存管理、AI協同優化等方式打通存儲和計算邊界，提升存儲計算效率。

4)數據智能 強調大數據與人工智能的融合，可實現數據智能計算，具備大數據智能挖掘分析及智能建模能力。

數字孿生建造需要融入人工智能，才能實現以智能、主動節能為特點的綠色數字孿生建造。

3.2 綠色數字孿生建造系統安全自主可控

國產化操作系統、軟件、硬件、通信協議可嵌入綠色數字孿生建造系統應用架構的邊緣、網絡、云端，有助于實現系統信息的統一安全防護與管理。

綠色數字孿生建造系統具有分布式架構、分布式軟總線、分布式數據管理及分布式安全能力。國產化操作系統、軟硬件是實現建筑行業計算安全、信息安全、供應鏈安全的根本保障。

標準化綠色數字孿生建造系統提供統一的數據格式，統一的設備語言，統一的網絡語義，統一的集成接口，統一的通信協議，統一的認證體系，為數據高效安全采集和流動提供基礎，可從底層解決建筑設備標準化問題，使傳感器、控制器等設備向智慧建筑元宇宙方向升級，從而支撐業務數字化轉型和創新。

3.3 綠色數字孿生建造元宇宙

綠色數字孿生建造元宇宙和城市元宇宙是元宇宙在特定行業領域中的形態之一，屬于行業元宇宙范疇。綠色數字孿生建造元宇宙是有機融合信息科學基礎理論、信息工程專業技術、行業領域應用基本層級后產生的物理世界中的數字孿生世界，強調原始信息科學與技術對客觀世界的驅動性、網絡虛擬空間中個體社交性及信息技術載體與應用間的深度集成性。元宇宙分為3個層級：①信息科學基礎理論 包含數學、物理、化學、控制論、信息論、線性系統理論、非線性系統理論；②信息工程專業技術 包含自動化、人工智能、大數據、通信、電氣、區塊鏈、VR、AR、軟件、數據庫；③行業領域應用 包含建筑、水利、電力、工廠、鄉村、物流、社交、媒體。3個層級自下向上分別解決科學技術與產業領域的共性與個性問題，其內容充分融合后產生元宇宙。城市元宇宙指有機融合信息科學基礎理論、信息工程專業技術、城市業務領域應用層級后產生的物理城市中的數字孿生虛擬鏡像。建造元宇宙和城市元宇宙等行業元宇宙應注重以下幾方面的探索：①原始信息科學與技術對行業發展的驅動方法；②行業網絡虛擬空間構建；③行業管理方、企業、個體間的協作方法；④信息科技與行業應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

元宇宙產業發展需要解決虛擬數字空間中身份唯一、數據真實性、模型精準性、人機交互與意識交流問題。

綠色數字孿生建造元宇宙產業化落地路徑為產品、產業鏈、生態圈、人才。需要開發綠色數字孿生建造產品，如綠色數字孿生建造管理決策虛擬數字人、綠色數字孿生建造大數據交易平臺、綠色數字孿生建造碳感知裝置、綠色數字孿生建造碳交易平臺，并塑造綠色數字孿生建造產業鏈，打造綠色數字孿生建造生態圈，培養綠色數字孿生建造專業人才。

4 國家速滑館可組態智慧建筑管理平臺

某智慧建筑公司開發的智慧建筑管理平臺可依據業務場景進行模塊化、組態化、搭積木式業務建模。智慧建筑管理平臺采用實時數據庫技術，支持智能物聯網應用，平臺內置事件、計算、統計、動作等規則子庫，支持算子定制，可快速應對復雜多變的建筑物聯網應用場景需求。可組態建筑管理平臺業務建模過程如圖8所示。

圖8 可組態建筑管理平臺業務建模過程

將該智慧建筑管理平臺應用于北京冬奧會國家速滑館(冰絲帶)項目。該項目建筑面積約8萬m2，冰面面積達12 000m2，是亞洲奧運競賽場館最大冰面，也是全球首個采用二氧化碳跨臨界直冷制冰技術的冬奧會速滑場館。該平臺接入信息化應用系統、信息設施系統、建筑設備管理系統、消防系統、安防系統、制冰系統，細分為36個子系統。接入實時數據點位超過10萬點(海量實時數據)。通過實時監測室內外溫濕度，監控調節制冰系統、除濕系統、座椅送風空調系統、排風機系統、熱回收系統，聯動多設備多系統，精準控制氣流組織、風速、溫度，最終滿足競賽AI智能輔助、觀眾席溫度自動調節、高清視頻轉播等需求。國家速滑館智能化集成平臺及項目實現情況如圖9所示。

圖9 國家速滑館智能化集成平臺及項目

5 綠色數字孿生建造發展展望

目前，國防、工業、城市等領域紛紛提出對數字孿生的理解，并著手開發相應系統。從全球范圍看，數字孿生尚無被普遍認可的確切定義及完整理論技術體系，數字孿生理論、技術、應用總體上處于起步階段。數字孿生七要素總結為物理空間、數字空間、數據、模型、控制、管理、服務。數字孿生建造和綠色數字孿生建造發展與數字孿生七要素發展密切相關。未來5～10年，隨著國家“雙碳”戰略的深度推進及智能建造行業的發展，綠色數字孿生建造發展將迎來黃金期。綠色數字孿生建造發展將孵化新技術、新產品，以場景驅動方式帶動技術創新與變革；將培育出綠色智慧建造產業鏈，為建筑業轉型升級注入新動能；將支撐綠色智慧城市長足發展，為城市轉型升級夯實基礎。

中國建造、中國制造、中國創造是我國經濟社會發展的三大支柱。在碳達峰、碳中和(雙碳)和數字經濟浪潮下，中國建造、中國制造均面臨數字化、綠色化轉型的歷史命題，對我國現代經濟體系構建起關鍵作用。全球第4次工業革命是以智能和綠色為核心特征的產業迭代升級，產生的本質影響是提高生產能力、變革生產組織模式、變革能源利用方式。綠色數字孿生建造在不可逆轉的宏觀歷史趨勢下，將奠定經濟發展的重要產業基石，同時成為我國城市發展的重要行業載體。