智能建筑：数字孪生重构最古老的行业

编译者：赛迪时代副总经理刘洋
本文选自Intellectsoft公司网站，对数字孪生在建筑行业的应用，做了全面的描述，对于建筑工地的智能化，有很大的指导意义。编译略有删节。
增强现实等新兴建筑技术的发展，进一步促进了建筑行业的数字化发展和建设效率。然而，作为全球最古老行业之一的建筑行业，在麦肯锡数字化指数（首次按行业测评美国经济数字化程度的指数）中却排名倒数第二。迄今为止，技术行业所关注的，一直都是移动信息而非材料原子。材料原子是建筑的本质，在建筑物和基础设施的本地化和劳动密集型活动中，将原子排列到相关活动中。但是，随着传感器、小型化、机器人技术、无人机、计算能力和智能算法等最新技术发展，我们得以了解如何将数字和物理相结合，从而能够在较短的时间内，建造更便宜、更环保、更耐久的建筑物。
如果可以即时访问建筑工地、个人、每个工具和每个螺栓最微小细节的所有信息；如果可以确定屋梁的最终测量结果或切口中的土壤体积是否接近填充的体积；如果能够即时跟踪物料的供应情况，在接近用完的时候自动重新订购；那么，建筑行业将会迎来哪些变革呢？
这一切，都可以通过“数字孪生”来实现。数字孪生是对物理对象进行实时数字化表示的概念。通常，数字数据由传感器形成，传感器会持续监控环境变化，以测量和图片的形式报告更新后的状态。
在本文中，我们将回顾数字孪生技术的使用实例，及其能够给建设项目团队带来的具体帮助。然后，本文将展示当前用于从建筑工地收集原始图像数据的技术，以及处理非结构化数据以重建建筑工地的3D数字表示的方法。
数字孪生的绽放
数字孪生技术的概念首次于2002年提出，最先应用于航空航天、制造和产品生命周期管理领域。比如，美国国家航空航天局（NASA）的月球探索任务阿波罗13号（Apollo 13）和火星漫游者（Mars Rover Curiosity）。
本质上，数字孪生使用来自传感器的持续数据，将物理对象及其数字表示连接起来。所有数据均来自连接在物理对象上的传感器，相关数据用于建立虚拟对象的表示。

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图1 数字孪生
该数字表示可用于可视化、建模、分析和仿真等，相关数据会触发决策和工作流变化的反馈回路，这些工作流变化会影响实际对象系统的控制过程。
对于建筑而言，数字孪生技术的使用，可以实现即时访问已建立和已设计的模型，这些模型会实时进行同步。这样一来，公司可以根据4D BIM模型中列出的时间表即时监控进度。

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图2 数字孪生在建筑中的使用
甚至可以使用模型预测控制的方法，基于建筑物的当前状态和正向模拟做出决策，即时分析不同的行动路径，并估计其概率和相应的成本函数，为下一步工作选择（或调整）最佳的决策。
建筑工地上的实时数字孪生
1自动化进度监控
进度监控可验证已完成的工作是否与计划和规范一致，是否需要进行实地观察，以核实所报告工作量的百分比并明确项目实施进程。
通过重建建筑物或结构的建成状态，我们可以将其与BIM中的计划执行情况进行比较，并采取相应的措施来纠正出现的偏差。一般来说，我们会重建建筑物的几何形状并将放进模型坐标系中，然后按照形状和对象，与计划模型进行比较。
一般而言，由于进度监控的数据是通过现场人员收集的，因此，相关数据可能会非常主观。例如，在项目开始阶段，报告的已完成工作百分比会大于实际数据，而在项目结束阶段，则可能会小于实际数据。这是因为项目开始阶段，人们对实际进度和完成工作所需的时间会持更加乐观的态度。