摘要：数字孪生技术和BIM技术非常相似但又有很大不同，数字孪生技术相对于静态的BIM模型具备嵌入更多数据接口的功能，能成为全周期的动态数字化模型。孪生技术是随着当前信息化和数字化高速发展所衍生出来的最新平台化数字模型技术。当工程建设与信息技术以及人工智能等强大数据分析算法相结合时，数字孪生技术使管理者能够更高效快速准确的做出决策。这套实践方法能同时在设计阶段，施工阶段和运营阶段执行诊断和预测分析。本研究旨在了解数字孪生将如何帮助工程项目实现高效建设以及后期交付和运营可持续的智能基础设施资产，并对未来提出挑战和展望。

关键词：数字孪生、全生命周期、工程管理、项目运维

在过去二十年里，许多数字孪生应用已出现在航空和制造业。工程建筑领域的数字孪生被定义为结构、建设流程或项目系统的真实数字表示。它反映物理、社会或经济系统的实时情况，并贯穿其生命周期，实时模拟其操作。在结构损伤诊断与评估中，美国空军研究实验室结构科学中心采用数字孪生来建立高保真飞行器模型，并将虚拟模型数据与物理数据相结合，从而做出更精确的疲劳寿命预测。建立了数字孪生样本模型，并进行了模拟实现来解决裂缝路径模糊。仿真结果表明，使用数字孪生可以减少剪切载荷下的不准确预测。数字孪生模型可被定义为现实世界对象的虚拟替代品，由虚拟表示和通信能力组成，这些智能对象在物联网和服务互联网中充当智能节点。

1.数字孪生依托技术

在具体技术手段上，正向数字孪生模型主要借助于BIM技术实现，以正向设计逻辑进行同步建模。逆向数字孪生模型现阶段大多通过激光扫描技术或者摄影测量技术两类主流手段进行数据获取。此外，在运维阶段数据获取技术手段上，数字孪生模型的数字化平台和现实环境接口可以由多个组件组成，如3D模型、物联网（IoT）、传感器、数据模型、人工智能和机器学习支持的分析和算法等。当与信息和通信技术以及人工智能等强大的数据分析算法相结合时，数字孪生能够帮助管理者在设计期间节省物理资源，并在运营期间执行诊断和预测分析。

当前在工程项目与数字孪生结合的热点技术研究主要聚焦到两个方面：一是基于数字化模型的工程全寿命周期平台架构、管理体系、模型体系研究;二是结构损伤、病害信息化以及状态智能分析方法与评估理论研究。而激光扫描、无人机等新的信息化测量技术获取结构真实的状态信息发挥了重要作用，并与BIM结合初步实现了工程项目建成后整体健康状态的信息化管理与结构性能评估。

2.数字孪生与工程建设

工程的数字化与信息化方法可分为实体的结构模型数字化以及全生命周期建设管理信息的平台化。其目的是通过数字孪生技术手段做到一次建设，两个成果，一个线下实际工程结构，一个线上具有同样参数信息的数字结构模型。同时将建设全寿命周期的真实信息以集成化方式呈现在数据管理平台上。在运维阶段通过信息化参数数据与数字化结构模型相结合在数字孪生界面对实际工程项目进行监控和管养。数字孪生有助于将信息模型和产品物理模型进行整合，从而最大限度地减少发生设计或施工返工造成额外成本的可能性。

其中，建筑工地作为物理实体层是实现虚实交互的基础。在施工过程中，施工现场各种传感器通过数字连接层将施工状态信息和设备参数传输到虚拟模型层。虚拟镜像不断更新数据并调用几何、物理、行为和规则模型，实时模拟施工线的状态和性能，然后馈送将仿真分析结果回传到物理层，通过控制器优化工地控制。传统施工线的虚拟模型主要侧重于视觉表达，缺乏对施工线特征、行为和规律的描述，不能实现多学科、多物理、多尺度、多概率的仿真，不能满足数字化的技术要求。因此，在数字孪生虚拟模型层，主要研究几何模型的构建，行为模型的标准化描述和规则模型的评估。因此基于数字孪生技术的平台能够实现在物理实体层和虚拟模型层研究的基础上，通过现场总线采集离散施工线系统的关键点数据，自动化监测多个工地的实时工况。同时借助基于Web服务器实时反馈向决策者提供施工现场的施工情况和维护策略，并提供基本信息查询功能。

3.数字孪生与项目运维

数字孪生技术在项目建成的后期运维阶段将主要借助于平台化的BIM技术。只要通过项目现场的各类数据接口将实时运营数据上传到云平台并使其嵌入对应的孪生模型中才能够进一步的对数据进行分析。分析结果能够在关键时刻帮助项目管理者更高效，更准确的做出合理决定。例如可以借助数字孪生技术开发建筑结构的异常检测系统，监测系统将使用实时接口获取动态数据，系统能够输出有关资产运行状况的基本信息和诊断结论。基于数字孪生技术的异常检测系统具有对建筑资产进行连续状态监测的潜力，且数字孪生应用程序支持项目不同生命周期阶段的各种决策。同时，在运维阶段，数字孪生模型可以增强不同利益相关者之间的信息流，应用于项目的设施管理、维护管理、监控、物流流程、能源模拟等方面。

目前，数字孪生技术仍处于起步阶段，在服务方面应用较少，但其在项目运维与管理层面具备巨大的潜力。可见，通过数字孪生服务应用层运维系统的开发，体现该技术在建筑领域设备运行状态监测和评估方面的优势是非常必要的。

4.挑战和展望

从上述讨论中可以看到基础设施行业的未来朝着更加以数据为中心、数字孪生驱动的运营方向发展。当前一些热点的技术趋势，包括工业物联网;机器人技术;增强/虚拟现实;智能/实时传感器;混凝土3D打印;摄影测量和缺陷检测;人工智能和机器学习;区块链;和自动化等都是未来与工程项目数字孪生相结合发展的方向。一些非技术趋势，包括循环经济、弹性、绿色无碳化基础设施建设等也推动着整个行业向数字化的转型升级。

与汽车、制造业或航空航天业相比，我国的工程项目无论是建设过程还是后期运维均较少受数据驱动，其本身更具静态性，并且可以使用50到80年。这种结构现状为数字孪生实施提供了绝好的机会。总的来说数字孪生技术为工程项目的设计方式和性能提供了多维视角，包括使用者行为、使用模式、空间利用率和交通模式等。数字孪生可以说提供了一种测试“假设”场景方法，包括设计变更、天气中断和安全事件的影响。能够帮助业主为未知的突发事故做好充分的准备并即时做出准确的判断。

5.总结

综上所述，工程行业的数字化转型和数字孪生技术的应用将在工程建设的不同层面使行业受益。总体而言，数字孪生的优势主要体现在通过平台化孪生模型集成数据集中实现数据价值，最终使建设者能够更快、更好、成本更低、更可持续地建设、交付和运营基础设施资产，当前在我国数字孪生与工程施工和管理的交叉应用仍处于起步阶段。虽然关于数字孪生技术落地的实际应用和实证研究还有待进一步研究，但不可否认的是数字孪生技术具备将该行业提升到一个新的水平的能力，并能够持续有力地帮助行业转型。

参考文献

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[2]韩青，徐翔，孙宝娣，孙建龙，袁钏，石新羽.基于CIM平台的工程项目数字孪生智能建造系统应用研究[J].中国建设信息化，2022（02）：34-38.