數(shù)字孿生（Digital Twin），亦稱為“數(shù)字雙胞胎”，是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。

數(shù)字孿生最為重要的啟發(fā)意義在于，它實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)向空間數(shù)字化模型的反饋。美國(guó)國(guó)防部最早提出利用數(shù)字孿生技術(shù)，用于航空航天飛行器的健康維護(hù)與保障。

數(shù)字孿生技術(shù)的引入是 21 世紀(jì)最具開(kāi)創(chuàng)性的創(chuàng)新。如今，數(shù)字孿生技術(shù)已在各個(gè)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域得到直接應(yīng)用，尤其是在制造、醫(yī)療保健等領(lǐng)域。最近，AEC（Architecture, Engineering & Construction）行業(yè)也表現(xiàn)出創(chuàng)建數(shù)字雙胞胎以解決業(yè)務(wù)無(wú)組織性的傾向。

這種未來(lái)技術(shù)的采用使我們能夠從一次構(gòu)建一塊磚塊轉(zhuǎn)變?yōu)橐淮螛?gòu)建一個(gè)區(qū)塊鏈。建筑師、城市設(shè)計(jì)師和城市規(guī)劃師正在使用該技術(shù)創(chuàng)建建筑環(huán)境的虛擬世界復(fù)制品，以了解他們工作的長(zhǎng)期可行性。

© Digital Twins of Water Cube Pilot, ARUP

數(shù)字孿生的歷史

數(shù)字孿生技術(shù)的第一個(gè)描述可以追溯到 David Gelernter 1991 年出版的??《鏡像世界??》（Mirror Worlds）一書(shū)中，他在書(shū)中探討了計(jì)算技術(shù)對(duì)未來(lái)世界的影響。然而，數(shù)字孿生的概念和模型是由邁克爾·格里夫斯于 2002 年在密歇根州特洛伊舉行的制造工程師協(xié)會(huì)會(huì)議上首次公開(kāi)介紹的。他提出了數(shù)字孿生的概念作為產(chǎn)品生命周期管理的研究模型。“數(shù)字孿生”一詞是 NASA 的 John Vickers 在“2010 年路線圖報(bào)告”中正式發(fā)明的。

© Microsoft – Azure Digital Twins

數(shù)字孿生如何工作？

數(shù)字孿生技術(shù)是由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的。傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)以創(chuàng)建物理世界的虛擬副本。數(shù)字孿生的框架由三部分組成：

• 實(shí)物——真正的產(chǎn)品
• 虛擬對(duì)象——數(shù)字克隆產(chǎn)品
• 物理和虛擬對(duì)象之間的連接——從物理產(chǎn)品流向虛擬產(chǎn)品的數(shù)據(jù)以及從虛擬產(chǎn)品到物理產(chǎn)品提供的信息

© Challengee Advisory

如上圖所示，如此創(chuàng)建的數(shù)字孿生可用于通過(guò)其完整的生命周期了解已建成和未建成環(huán)境的特殊性。結(jié)合其他信息來(lái)源分析數(shù)據(jù)有助于了解研究相應(yīng)主題的起源并對(duì)其未來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)。

通常，基于用戶界面和可視化，數(shù)字孿生和3D建模之間有相似之處。然而，區(qū)別它們的是數(shù)據(jù)因素。雖然3D建模僅限于提供對(duì)象的視圖，但數(shù)字孿生提供了對(duì)象的視圖和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。數(shù)字孿生在探索各種環(huán)境條件在一段時(shí)間內(nèi)將如何影響對(duì)象方面更進(jìn)一步。

© ArcGIS

數(shù)字孿生如何改善城市規(guī)劃？

當(dāng)前，世界正在快速城市化，預(yù)計(jì)??全球 56% 的人口??居住在城市。因此，城市需要為大規(guī)模人口涌入做好充分準(zhǔn)備。但是，鑒于世界上大多數(shù)城市地區(qū)的無(wú)限制增長(zhǎng)，數(shù)字孿生可以在數(shù)據(jù)分析的幫助下幫助簡(jiǎn)化城市發(fā)展。通過(guò)創(chuàng)建城市的數(shù)字雙胞胎，人們可以在現(xiàn)實(shí)世界中虛擬測(cè)試和制定政策、設(shè)計(jì)規(guī)則和施工方法。數(shù)字孿生的采用可以徹底改變城市的設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)和維持方式，以提高市民的生活質(zhì)量。

有效的政策制定

市政當(dāng)局和其他地方管理機(jī)構(gòu)可以通過(guò)使用數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)劃、最終確定投資策略和發(fā)現(xiàn)機(jī)會(huì)，從數(shù)字孿生技術(shù)中受益。他們可以在虛擬世界中模擬提議的政策，并在在現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)施之前研究其影響。在全球范圍內(nèi)，新加坡、赫爾辛基和阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)等城市正在投資數(shù)字孿生技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)從可持續(xù)發(fā)展到以交通為導(dǎo)向的發(fā)展、建設(shè)改造項(xiàng)目和虛擬旅游范圍等各種目標(biāo)。

© Courtesy of Singapore Land Authority

緩解環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

隨著全球變暖和氣候變化的驚人增長(zhǎng)，數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助繪制未來(lái)環(huán)境及其對(duì)城市的影響的地圖。虛擬城市中的海平面上升和構(gòu)造板塊運(yùn)動(dòng)等數(shù)據(jù)可用于指導(dǎo)實(shí)體城市的發(fā)展。通過(guò)評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)，城市可以更好地為減輕洪水、地震、海嘯和颶風(fēng)等自然災(zāi)害做好準(zhǔn)備。??

審查建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

由于建筑質(zhì)量低下，建筑物倒塌已成為城市的日常事務(wù)，導(dǎo)致生命和資源的損失。在開(kāi)始物理施工過(guò)程之前創(chuàng)建數(shù)字孿生有助于確定建筑材料和實(shí)踐的適用性。這將有助于創(chuàng)建安全和健康的社區(qū)，幫助城市社區(qū)繁榮發(fā)展。市政當(dāng)局可以使用這些數(shù)據(jù)對(duì)舊建筑的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行審查，從而及時(shí)撤離社區(qū)，以防止任何物理?yè)p壞。

節(jié)省能源和運(yùn)營(yíng)成本

從數(shù)字孿生中獲得的數(shù)據(jù)可用于優(yōu)化建筑服務(wù)系統(tǒng)，這將有助于降低結(jié)構(gòu)的能源消耗和運(yùn)營(yíng)成本。城市規(guī)劃者還可以確定建造屋頂以利用太陽(yáng)能為建筑物供電的潛力。在數(shù)字孿生城市中始終可以探索可再生能源的全域，以幫助減少城市熱島效應(yīng)并提高建筑物的自給自足能力。

© Ton De Vries – YouTube

完善基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)

借助來(lái)自數(shù)字孿生城市的數(shù)據(jù)，交通規(guī)劃人員與城市規(guī)劃人員一起，可以確定實(shí)體城市中出現(xiàn)瓶頸和交通擁堵的可能性。天橋和道路擴(kuò)建的需求可以通過(guò)識(shí)別公路汽車(chē)的增長(zhǎng)來(lái)預(yù)先確定?？梢詢?yōu)化測(cè)試和設(shè)計(jì)大眾捷運(yùn)系統(tǒng) (MRTS) 增強(qiáng)城市公共交通的效力，以適應(yīng)城市擴(kuò)張。

虛擬旅游

數(shù)字孿生的可能性并不僅限于城市規(guī)劃的技術(shù)性，而是進(jìn)一步探索虛擬旅游的創(chuàng)收。雖然市場(chǎng)上已經(jīng)提供了街道和建筑物的 360 度全景視圖。數(shù)字孿生使這項(xiàng)技術(shù)更進(jìn)一步。在數(shù)字孿生中，人們可以做的不僅僅是查看一個(gè)地方。他們可以購(gòu)物、玩耍、學(xué)習(xí)，甚至成為虛擬城市的公民。

例如，??Virtual Helsinki??是赫爾辛基市中心的數(shù)字雙胞胎，由 Zoan 以高品質(zhì) 3D 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建，人們可以虛擬訪問(wèn)和進(jìn)行活動(dòng)。虛擬旅游通過(guò)讓人們?cè)谑孢m的家中體驗(yàn)世界，促進(jìn)了一種可持續(xù)的生活方式。

數(shù)字孿生案例

雖然許多國(guó)家尚未探索數(shù)字孿生技術(shù)的潛力，但新加坡已經(jīng)為其虛擬外觀創(chuàng)建了一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試案例。城邦模型包括 300 萬(wàn)張街道拍攝的圖像以及 160,000 張空中拍攝的圖像。超過(guò) 10 億個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)以 3D 形式繪制，相當(dāng)于 100 TB 以上的數(shù)據(jù)。該模型的基礎(chǔ)將依賴于 14 個(gè)核心數(shù)據(jù)集，包括土地利用、樹(shù)木覆蓋和地下公用設(shè)施。整個(gè)島嶼將使用航空和街道測(cè)繪工具不斷繪制地圖，以保持?jǐn)?shù)字孿生的相關(guān)性并與新加坡的發(fā)展保持一致。

© AEC Magazine

憑借其數(shù)字孿生，新加坡設(shè)想解決其長(zhǎng)期存在的城市熱島效應(yīng)問(wèn)題。虛擬城市將用于研究城市新建筑開(kāi)發(fā)的可行性及其對(duì)周邊環(huán)境的影響。政策制定者還將研究識(shí)別潛在基礎(chǔ)設(shè)施陷阱的模型，并為未來(lái)的新加坡提出適當(dāng)?shù)?a href=http://lifelonghealthcenter.com/fangan/ target=_blank class=infotextkey>解決方案。未來(lái)，新加坡還計(jì)劃通過(guò)數(shù)字取證和自動(dòng)駕駛汽車(chē)和機(jī)器人的場(chǎng)景規(guī)劃，利用數(shù)字孿生重建事故場(chǎng)景。

綜上所述

數(shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)勢(shì)鼓勵(lì)全球 IT 領(lǐng)導(dǎo)者努力推進(jìn)數(shù)字孿生軟件。領(lǐng)先的 IT 巨頭，即微軟、GE Digital、西門(mén)子和Dassault Systemes，已經(jīng)創(chuàng)建了數(shù)字孿生軟件。AEC 行業(yè)的創(chuàng)新者，例如 Cityzenith，已經(jīng)推出了專門(mén)針對(duì)建筑環(huán)境的數(shù)字孿生軟件程序。另一個(gè)領(lǐng)先的數(shù)字孿生軟件是 SmartWorldPro，它有助于建筑物和其他房地產(chǎn)形式的設(shè)計(jì)和管理。

在城市規(guī)劃中使用數(shù)字孿生技術(shù)可以提高利益相關(guān)者的決策能力。它為一個(gè)更可持續(xù)、以人為本、有組織和令人向往的未來(lái)城市建立了希望。