根據西門子的說法，數字孿生有四個關鍵組成部分：1）語義數據層，為邏輯表示和查詢構建數據； 2) 以非專家系統用戶可以使用的方式可視化信息的能力； 3) 關聯數據以提供可導致結果的見解的能力； 4) 視覺 2D、3D 或點云表示。

在智能建筑領域，我們經常聽到數字孿生的好處，它通過使用來自建筑環境的實時數據作為項目的虛擬表示來連接物理世界和數字世界。該技術可以讓業主和運營商更好地了解他們的建筑性能，幫助他們快速發現問題、優化效率、提高安全性和空間利用率，并模擬潛在的新智能建筑技術的影響。

雖然數字孿生技術可能看起來有點未來感，但它開始在智能建筑領域占據一席之地。建筑業主和運營商可以從了解該概念的工作原理、其潛在優勢以及采用的關鍵考慮因素中受益。

一個發展了幾十年的概念

數字孿生技術在制造業中得到認可，是在本世紀初，時任數字孿生研究所(Digital twin Institute)執行主任的邁克爾•格里夫斯(Michael Grieves)在密歇根大學(University of Michigan)的產品生命周期管理(PLM)課程中提出了這一概念。

“在這個概念被引入的時候，實際物理產品的數字表示還相對較新和不成熟。此外，在生產過程中，有關實物產品的信息收集是有限的，只能手工收集，而且大多是基于紙張。”Grieves 解釋說。 “在接下來的幾十年里，支持虛擬產品開發和維護以及實體產品設計和制造的信息技術爆炸式增長。”

Michael Grieves 和 John Vickers 最初分別為 NASA 的阿波羅計劃概念化并命名了數字雙胞胎。

這個概念被與格里夫斯合作的美國宇航局的約翰維克斯稱為“Digital Twin，數字雙胞胎或數字孿生”。事實上，美國宇航局自20世紀60年代就開始實踐孿生的基本概念，當時它在地面上復制了空間系統，以評估和模擬阿波羅13號上的條件。基于物理系統的數字信息結構可以作為實體來創建的思想，原始概念模型包含三個部分：真實空間中的物理產品；虛擬空間中的虛擬產品；以及將虛擬產品和真實產品聯系在一起的數據和信息的聯系。

技術的進步使數字孿生的概念從物理表示演變為完全虛擬的表示。但這仍然是行業領導者正在努力描述的一個相對難以捉摸的想法。

“數字孿生的概念從用于制造到建筑方面已經走過了漫長的道路，但它仍然是一個行業笑話，如果你問五個人什么是數字孿生，你會得到七個不同的答案， ”美國西門子智能基礎設施解決方案工程經理和數字企業企業解決方案架構師 Kunal Chitre 說。 “今天，我們將數字孿生確定為具有四個關鍵組成部分：一個語義數據層，用于為邏輯表示和查詢構建數據；以非專家系統用戶可以使用的方式可視化該信息的能力；關聯數據以提供可導致結果的見解的能力；以及視覺 2D、3D 或點云表示。”

一個常見的混淆點是數字孿生與建筑信息模型 (BIM) 之間的區別，這是另一種已有數十年歷史的技術。 BIM 不是為實現智能建筑性能提供一個活生生的模型，而是傾向于關注物理空間，并幫助建筑師和工程師完成設計-建造過程。今天，BIM 本身主要用于幫助促進行業之間的協作、減少錯誤以及管理材料和預算——但這并不意味著它不是數字孿生的組成部分，或者數字孿生不能在施工期間使用。數字孿生聯盟是一個成員驅動的協作社區，致力于數字孿生的整體開發，甚至提供免費的網絡研討會“從 BIM 到孿生”來區分概念并解釋它們的關系。

“BIM 是為視覺表示提供輸入的關鍵，這是數字孿生的主要組成部分之一，”Chitre 解釋說。“但它肯定不是唯一的部分。數字孿生也可以從施工階段開始使用。例如，我們可以模擬通過空間的氣流，以查看靜止和動態物體（如家具、隔板和人）對空氣交換率和空間溫度分布的影響。或者我們可以使用該技術創建疏散“這可能表明需要將門設計得更寬，或者重新配置疏散路線。這里確實有數百個用例。”

根據 Digital Twin Consortium 首席技術官 Dan Isaacs 的說法，數字孿生的創建還取決于對數字化轉型的認識和采用程度。 “數字孿生是不同組件的組合，我們正在努力發布有關如何構建它們的最佳實踐指南，”他說。 “一種整體方法是首先確定數字孿生被‘雇用’來執行的工作。只有這樣，人們才能確定最合適的技術來滿足要求并了解創建數字孿生所需的數據特征和屬性。”

飛速發展新興趨勢和技術

COVID-19 大流行無疑是最近數字孿生技術發展的關鍵驅動因素。建筑業主和運營商可以通過持續監控和跟蹤運動來評估傳播風險，借助數字孿生幫助確保建筑居住者的健康。該技術還可用于幫助管理人員計劃以安全的方式返回辦公室。 Markets and Markets 2020 年 9 月的全球預測預測數字孿生市場將從 2020 年的 31 億美元增長到 2026 年的 482 億美元（復合年增長率為 58%），特別指出由于 COVID-19 大流行醫療保健和制藥行業對數字孿生的需求不斷增長。

推動數字孿生技術的另一個全球性問題是氣候變化。 “我們的幾個成員積極參與氣候相關問題，并與業主和開發商合作，應用數字孿生來提高效率和減少碳足跡，”Isaacs 說。 “我們還看到大學擁有的場所，特別是企業中心和生活實驗室，推動了前進的道路。我相信我們將看到創新區結合起來充當微型智慧城市，使用數字孿生技術來解決氣候和醫療保健緊急情況。”

新興的物聯網技術也在推動數字孿生技術的進步。它們能夠收集和分析來自越來越多的 OT 和 IT 系統和傳感器的細粒度和可操作的建筑數據。Mind Commerce 2021 年 3 月的一份市場報告預測，到 2026 年，多達 91% 的物聯網平臺將包含某種形式的數字孿生功能。

Compass Intelligence 首席執行官 Stephanie Atkinson 認為，圍繞元宇宙的炒作將導致供應商之間開展更多合作，并使用虛擬化技術，使數字孿生技術能夠提供接近現實的情境體驗。

“雖然物聯網領導者一直在吹捧數字雙胞胎技術和用例，但我們仍處于初期階段，剛剛進入早期采用階段。但這項技術現在正受到其他先進技術的推動，例如 5G 連接、增強現實（AR）和虛擬現實（VR）、人工智能以及機器學習（ML）和深度學習（DL），”總部設在德克薩斯州的領先的技術咨詢和市場研究公司 Compass Intelligence 創始人兼首席執行官Stephanie Atkinson說。 “現在隨著元宇宙[虛擬現實空間] 的全面炒作，我們將看到供應商之間的更多合作以及虛擬化的使用，這將使數字孿生技術能夠提供與真實事物一樣接近情景的體驗。”

Isaacs同意最近在現實捕捉和虛擬化領域的進展已經開始應用到數字孿生技術。“我們也看到越來越多的人使用混合現實來展示數字雙胞胎的價值。未來的趨勢包括更多的自主操作，允許數字雙胞胎之間的交互和信息交換，這將通過Web 3.0區塊鏈技術實現。”混合現實將虛擬世界和物理世界混合在一起，允許用戶與兩者的元素進行交互。例如，設施經理可能會在實際的物理空間中對建筑系統進行更改，以體驗其影響。

上述市場報告還發現，超過 95% 的供應商認識到需要應用程序編程接口 (API) 來實現與數字孿生功能的平臺集成。西門子、微軟的 Azure 數字孿生和江森自控 OpenBlue 等數字孿生平臺即服務 (PaaS) 提供商都主要由 API 驅動。 Mapped 和 Eclipse Ditto 等公司提供后端框架以簡化從連接的建筑系統和設備訪問數據以創建數字孿生，它們也可以利用 API。西門子的 Chitre 說：“所有協議都在多個級別上到位，除非數據來自非常傳統的系統并且需要更換，否則數據來自何處并不重要。” “通過強大的合作伙伴生態系統和 API 集成，我們能夠獲取數據并理解它。”

Chitre還指出，云計算是另一個關鍵驅動因素。他說:“在建筑工地和云之間的邊緣進行了一些處理，數字孿生可以在本地虛擬機上運行，在設計過程中提供實時模擬。”“但我們正在利用云的力量，通過語義標記，并使用人工智能和機器學習技術來滿足用例，為結構化、非結構化和半結構化數據添加某種程度的感覺。假設一個設施經理收到警報說大樓里出了問題。如果數據是有意義的，并且以一種允許機器查明根本原因的格式表示，那么潛在的問題就可以得到解決。這就是數字孿生的發展方式。”

未來前景

雖然數字孿生的采用仍處于早期階段，但其好處和用例顯示了巨大的潛力。許多專家認為這項技術是未來智能建筑的核心。

Atkinson說:“一個智能建筑數字孿生可以提供一個資產、基礎設施、系統、運營和技術的完整復制品。”“我們談論的是電梯、暖通空調系統、監控系統、門鎖、照明、運動傳感器、攝像頭、窗戶、寬帶和WiFi。這樣的例子不勝枚舉。將所有這些資產復制到一個數字孿生中，可以讓建筑業主和運營商測試他們需要、希望和預期發生的結果。”她解釋說，模擬可能會探索如果燈亮著，如果發生火災，或者如果安全漏洞發生，會發生什么。“而且，”她補充道，“這一切都在不影響資產或建筑的情況下發生，提供了操縱、測試和模擬智能建筑解決方案的能力。”

與 BIM 文件不同，BIM 文件通常會在施工完成后擱置到下一次重大改造之前，數字孿生是一個活生生的實體，它使用實時或近實時信息持續更新，以持續了解日常運營和居住者行為。因此，該技術對更廣泛的利益相關者更具有潛力。

西門子美國智能基礎設施公司(Siemens Smart Infrastructure USA)數字企業副總裁本•德懷爾(Ben Dwyer)表示:“有些開發商利用這項技術來吸引頂級租戶，但這主要是由租戶本身以及首席技術官和首席信息官與房地產的結合推動的。”“雖然目前40%到50%的參與是圍繞著減少能源消耗和為股東報告ESG目標，但它當然不限于效率和可持續性。它可以是人力資源主管，試圖優化空間，改善員工的工作體驗，或者決定如何配置一個空間，使其更安全。甚至可能是訪客和客人在使用這項技術。該技術適用于企業組織的每一個垂直領域和每一個層次。”

Atkinson同意幾乎每個市場都將從數字孿生中受益。 “有許多子行業非常適合數字孿生技術，包括公寓、商業辦公室、高層建筑、學校和大學、農業、航空、制造業，甚至整個智慧城市，”她說。 “任何數字孿生用例，只要圍繞性能和資產監控、操作感知、實時可見性和自動化提供了清晰的ROI，都適用于任何領域。”

采用挑戰和注意事項

一些早期采用者已經在展示數字孿生功能。新加坡和上海使用數字孿生來改善能源消耗、交通流量和城市規劃。迪拜世博會將持續到 2022 年 3 月，它將被改造成 2020 年的未來混合用途智慧城市區。它正在使用數字孿生技術來確保可持續發展，并為其未來的公民提供一個清潔、安全和健康的環境。例如，愛沙尼亞塔林理工大學的研究人員正在為未來城市的虛擬“綠色孿生”添加動態植物生命，以確定城市植物群如何隨時間變化并影響城市生態系統，幫助城市規劃者了解他們需要在哪里添加更多的陰涼處或當樹木落葉時秋風會吹來的地方。

盡管有高價值的用例，但智能建筑的全 3D 虛擬實時表示對于業主和運營商來說似乎有點令人生畏并且遙不可及。

“雖然擁有資金實力和房地產投資組合的客戶正在采用數字孿生解決方案，但這項技術和我們正在進行的開發的美妙之處在于，那些沒有能力花很多錢但有遠見的客戶仍然可以受益。”西門子的 Dwyer說。“也許他們不需要一個完整的3D解決方案，只是剛剛開始捕捉和分析數據。有很多唾手可得的東西可以馬上解決，我們可以從小事做起，享受小事帶來的好處。這讓客戶能夠見證其影響，獲得進一步的支持，并隨著時間的推移制定出投資步驟，因此這是一個循序漸進的過程，不會讓客戶傾盡所有。”

Compass Intelligence首席執行官Atkinson同意從小處著手，尤其是已經開始收集數據的智能建筑系統。所有收集和分析的數據都應該有目的，她補充道:“并非所有ROI  都與成本節約或預算影響有關；有些可能與其他目標相關聯，如減少安全隱患、改善租戶體驗或預測性維護以避免設備故障。數據應該是特定于用例的，并取決于構建的類型、期望的結果或[其他]因素，如設備、軟件、平臺規格，以及數據是結構化數據還是非結構化數據。不管考慮的是哪種類型或級別的數字孿生產品和數據，供應商都應該能夠明確他們的解決方案的ROI，無論是定性的還是定量的，包括提供sla(服務水平協議)。”

然而，在智能建筑行業中，由于缺乏開放、實時和高質量的、易于集成的可用格式的數據，以及缺乏數據標準，數字孿生的廣泛應用受到了挑戰。這些挑戰正在通過協會和合作伙伴關系來解決，如數字孿生聯盟，該聯盟正在努力開發開放的數字孿生生態系統并推動互操作性。

聯盟的Isaacs說:“要想讓數字孿生產品走在最前面，并增加可訪問性，就需要教育、降低價格以實現大眾化使用、降低適應性和可重構性，以及增加生態系統的協作。”“我們成員的新平臺和創新解決方案正在不斷試點和發布，以解決這些和其他相關領域的問題。”

在研發方面投入大量精力的解決方案提供商，如西門子，對數字孿生技術的未來持樂觀態度。Chitre表示:“我們正在全球部署多種語言的數字孿生，所以你可以想象我們付出的努力有多大。”“但并不是每個用例都適用于一個平臺——有多個數字孿生用于不同的系統，但隨著技術的發展，融合到一個單一的平臺將會改善。”它可能是壓倒性的。但如果你有一個傳感器，可以給你數據，可能性是無限的。”