数字孪生 ： 迈向有意义的框架

数字孪生 拖曳有意义的框架 关于数字 Arup致力于塑造数字建筑环境。我们的客户希望我们将深厚的领域知识和新技术与战略相结合，以提高性能，发现新的商业模式，并确保它们在这个新的，互联的世界中蓬勃发展。我们寻求与研究伙伴的合作，以塑造更美好的世界。 关于前瞻、研究与创新 前瞻性，研究和创新是Arp的内部智囊团和咨询公司，专注于建筑环境和整个社会的未来 。我们帮助组织了解趋势，探索新想法，并从根本上重新思考其业务的未来。研究在确定我们如何预测和利用新兴商机方面发挥了重要作用。应用研究继续支撑着我们应对客户最大挑战的能力。 联系我们在数字@arup.com 下载报告www.arup.com/digitaltwinreport 封面图片：Arup/FlorianWehdeonUnsplash 2019年11月发布 13FitzroyStreetLondon W1T4BQ ©Arup2019 Contents 前言6 1.数字孪生的当前状态9 2.数字孪生的价值33 3.挑战和结论149 参考文献155 贡献者和致谢158 功能 74 案例研究: 东京 IoT办公室-加强 办公室幸福 前文 为了发挥其潜力，数字孪生的概念必须 演变成一个真正的和有意义的结构，而不是关于永无止境的数字炒作周期的另一个想法。 数字孪生作为将数字模型和模拟与现实世界数据联系起来的一种手段，为提高创造力、竞争优势和以人为本的设计创造了新的可能性。数字双胞胎可以帮助解决社会面临的重大挑战，包括实现联合国的可持续发展目标，解决快速城市化、人口增长和基础设施成本不断上升的问题。 在目前的状态下，数字双胞胎可以改善我们的设计和我们给客户的建议，但挑战仍然存在。共享数据的成本很高，而且压力很大，因为数字知识，实践和文化尚未在整个建筑环境中融合。为了实现我们工作的全部价值，我们必须通过深刻理解和围绕有意义的方法的更大合作来发展伙伴关系：一个由明确行动支持的鼓舞人心的愿景。 在这份报告中，我们介绍了数字孪生在建筑环境中的现状，并探索了想法 onwhatmightbecomepossibleinthefuture.Theresearchexaminesabroadspectrumofdigitaltwins,bothinuseandindevelopment,andfindvarietylevelsofprogressandinvestmentinearlyprototype,practiceandgovernance.Wehopethat 这项研究可以提供信息和影响，以便我们仔细考虑数字孪生的目的，人为因素，完整性和安全性。显然需要协作定义和领导数字孪生叙事的发展，该叙事在整个建筑环境中工作。 本报告是通过与全球专家及其用例合作开发的，我们感谢他们的想法和贡献。我们的研究包括爱好者和评论家 我们的目标是探索如何最好地将人类和机器的智能、创造力和技术结合成数字孪生，帮助我们塑造一个更美好的世界。 我们分享这项工作的目的是将行业带入一个重要的旅程 。 数字双胞胎的有意义的发展之旅，为我们的客户和整个社会带来价值。随着我们的不断探索和合作，我们鼓励您通过digital@arup.com与我们保持联系。我们欢迎您对创建当今和未来的数字双胞胎的反馈和兴趣。■ 6 人民党 首席数据官 Arup CHAPTER1 数字孪生的当前状态 数字孪生会成为帮助应对气候变化，从根本上实现水和运输基础设施现代化并帮助我们实现联合国可持续发展目标的技术吗？ INTRODUCTION 数字孪生概念为建筑环境中的组织提供了巨大的潜在价值。数字孪生的广泛使用有望提高运营效率，实现资源优化，改善资产管理，节省成本，提高生产率和安全性。 计算能力的提高，更便宜的传感器，物联网（IoT） ，先进的分析以及3D可视化和沉浸式环境的更复杂，因此有可能为实现联合国可持续发展目标（SDG）做出积极贡献。 然而，尽管数字双胞胎显然很流行，但我们尚未确定它们可以为客户带来价值的程度。数字双胞胎有可能破坏市场，一旦我们解决了障碍 在数据交换、治理和互操作性方面，我们预计结果将是深远的。然而， 该行业目前面临着关于数字孪生是什么以及它能做什么的相互竞争的定义、误解和困惑。本报告的目的是调整术语，并提供一个工作评估框架，以清楚地对数字孪生的各种复杂程度进行分类。 该报告是通过采访来自整个行业的75位专家，包括主要市场的思想领袖;城市，能源，房地产，交通和水 。该报告包括数字孪生在建筑环境中的新兴应用的示例性案例研究，这些案例研究是使用我们的工作框架进行评估的。 数字孪生的现状 数字孪生正在成为一个广泛熟悉的概念。2003年，MichaelGrieves创造了“数字孪生”一词，作为他对产品生命周期管理的研究的一部分。1在第24页上，Grieves博士阐明了数字孪生在建筑环境中的演变。通用电气，西门子和劳斯莱斯在这个术语被创造之前的几十年，在模拟的帮助下设计了转子，涡轮机和发动机。同样，自1980年代以来，石油和天然气行业一直在研究燃料储层的模拟 。在格里夫斯的造币之前，业界使用的术语多种多样，如“数字阴影”、“数字化身”和“数字模型”。当我们回顾数字孪生的历史时，我们必须对数字模型，模拟和数字孪生进行重要区分。数字孪生不是静态模型，而是连接在物理系统和数字系统之间的响应系统。 在以下段落中，我们提供了行业如何在整个行业中思考和采用数字双胞胎的示例。 在国际快递服务公司DHL，数字孪生的使用正在进行中，该公司正在探索将其集成到其核心业务中的挑战和机遇。2在汽车制造方面，西门子正在开发数字孪生产品，以实现逼真的模拟，以优化汽车。 微软正在推广机器学习和物联网的使用，以帮助公司优化运营。 为产品生命周期改进提供服务，并在设计和运营之间创造更深入的见解。6► 软件行业正在创建产品，以集成，分析和管理针对智能城市，产品制造和资产管理的高通量数据。在城市规模上，引入了智能城市数字孪生范式，以通过交换7在全国范围内，英国政府正在研究模型联盟和数据共享 o8人工智能（AI）的最新进展使人们能够更好地了解和分析实物资产，从而产生了丰富的数据集，这些数据集以前无法访问。先进的数字孪生可以在房地产和运输市场中找到，其中一些最突出的例子来自谷歌等科技巨头。 作为第一个小规模的例子，我们可以使用GoogleNest 学习恒温器。该设备与加热系统配对时，具有 通过打开和关闭系统或根据房间中检测到的温度在暖气和空调之间进行选择来进行编程。Nest通过了解一周中某些日子和时间的模式和所需温度来学习行为，然后创建供暖，通风和空调（HVAC）时间表。它是市场上第一个包含a的恒温器。 Learningelement,makingdecisionsonbehalfofitsuserswiththeaimofprovidingamorecomfortableenvironmentation.9Alarger-scaleexamplecomesfromGoogleDeepMind,whotrainedAIsystemstomanagethecoolingcentres. 该系统能够始终如一地实现用于冷却的能量减少40%, 这相当于总功率使用减少15%。10 自动驾驶技术是当今社会应用AI孪生最先进的例子之一 ，其重要目标是减少人为错误造成的事故。英国自动驾驶计划等联盟合作伙伴正在合作推进这项技术。11谷歌地图是另一个很好的例子。12虽然它可能有缺点，比如它并不总是100%准确，需要不断更新，但地图仍然是最好的特征。 anadvanceddigitaltwin,providingarelevantrepresentationofthebuiltenvironmentandreal-timeinformation.TheGoogleMapsAPIisnowanessentialsubstrateformanyservicessuch 作为拼车、餐厅评论和商业信息，形成了一个具有巨大价值的全面统一的平台。► 图1 下面 数字孪生新兴技术时间表 1990WWW的发明作者TimBernersLee 19361970 1977 1990 第一现代阿波罗13号 Metretek, 增强现实 计算机由已启动 第一聪明 由 艾伦·图灵由NASA 仪表 托马斯·P·坎德尔 1960 1981 1989 1992 1994 Simulations 第一台 IBM个人电 JaronLainer创 造的虚拟现实 智能家居发明 IBM的首款智能手机 脑 1990 1980 1930 在城市规模上，SidewalkLabs的雄心勃勃的计划是建立一个最先进的“响应式社区”，预计到2040.13年将吸引 29.50亿英镑的私营部门投资。该项目旨在重塑城市并改善生活质量。 除其他外，该项目将通过对公共场所传感器网络进行建模和收集数据，创建多伦多海滨部分的数字孪生。此外，该项目正在开发地下货运系统并跟踪包裹的交付，以避免卡车堵塞街道。 最后，考虑Uber的按需运输服务，该服务使用机器学习平台米开朗基罗。该平台是Uber整个网络的数字孪生 ，可根据供应和需求连接驾驶员和用户。14 平台现已扩展到包括其他服务，例如UberEats（在线食品订购和交付平台）和MaretplaceForecastig（能够预测骑手需求和驾驶员可用性的时空预测模型）。15,16这些都是技术进步的例子，将物理和数字世界结合在一起 。它们说明了混合数字物理系统的最新技术，具有高保真度，不断提高的自主性以及对不断变化的环境和操作条件的适应性。鉴于我们在其他市场看到的进步，我们相信建筑环境已经准备好了。 拥抱数字双胞胎，通过新的合作和 伙伴关系，以创造新的机会和价值主张。 2005 推出Google地图 2010 谷歌宣布开发自动驾驶汽车 2014 亚马逊Alexa发明 2000 2010 2020 2000 智慧城市创 2003 Michael 2009 智能照明 2011 NASA空军的数 2016 GoogleHome的推出 造Grieves博士 创造的数字孪生 发明字孪生论文 本报告提供了来自广泛的数字孪生应用的案例研究。他们的范围从现有的，功能齐全的双胞胎，如那些智能优化办公空间的使用（如房地产市场突出显示），更面向未来的项目（如数字病人案例研究第62页）。预计医疗保健将是一个快速发展的市场，新的重点是个性化的患者护理和设计，以提供更好的服务。 对患者，包括重新思考医院内的空间和等候区。17在医疗设施重新设计方面取得的进展和吸取的教训将对建筑环境有指导意义。 本报告中发现的数字孪生部署背后的目的和意图因行业和用例而异；数字孪生没有一刀切的技术趋势 它们的发展以及需要这种发展的社会需求，可以帮助我们在当前的炒作周期之外为数字孪生定义明确的角色。在下一节中，我们将介绍整个行业对数字孪生的各种定义 ，并围绕更好的决策、学习和自主性介绍数字孪生及其生态系统。► 数字Twin的定义 我们工作的主要动机是帮助行业比较数字孪生的各种定义，包括尚未实现的承诺和价值。表1列出了学术界和工业界主要参与者对数字孪生的现有定义。数字孪生的特征差异相对较小，并且往往在焦点上有所不同（例如，实体被配对为“对象”，“产品”，“过程” ，“系统”或这些的某种混合）。虽然特征相对一致 ，但数字孪生的所述目的可能差异很大。从增加投资回报（德勤）到确保安全（NASA），被认为是主要目的可能会根据研究人员或所涉及业务的利益而有所不同。 数字孪生起初似乎是一个精确的复制品，然而，数字孪生不一定是现实的表示，而是实物资产的相关抽象。即使是最先进的智慧城市，也没有必要以数字方式复制每根柱子的凹槽或每块砖的砂浆。换句话说，我们需要开发适合目的的数字孪生，并且保真度将根据主要用例而有所不同。数字孪生不需要试图反