数字孪生驱动的智能建造全生命周期管理与实践应用 课件 第1-3章 数字孪生的基础知识、数字孪生架构、智能建造全生命周期管理

数字孪生驱动的智能建造全生命周期管理与实践应用第一章数字孪生的基础知识第一章数字孪生的基础知识目录目录数字孪生概述数字孪生与建筑业数字孪生在其他领域的应用数字孪生应用发展势态1342一、数字孪生概述什么是数字孪生？（DigitalTwin）数字孪生是充分运用物理模型、传感器更新、运转历史等数据，集成化多学科、多物理量、多尺度、多概率的模拟仿真全过程，在虚拟空间中完成映射，进而反映相应的实体装备的生命周期全过程。起步期物理对象原理＋数据模型机理模型＋数据驱动模型软件描述、诊断、预测、决策数据信息指令基础载体一、数字孪生概述数字孪生的发展历程200320112015美国密歇根大学Grieves教授提出“镜像模型”概念，数字孪生技术被最早描绘出来Grieves教授正式提出“数字孪生”；美国空军研究实验室提出了数字孪生体的概念，并正式定义数字孪生技术应用范围扩大，从航空航天领域开始向更多领域发展年份起步期萌芽期成长期Prof.MichaelW.Grieves美国空军研究实验室(AFRL)美国国家航空航天局(NASA)一、数字孪生概述数字孪生的特点数字孪生技术具有典型的跨技术领域、跨系统集成、跨行业融合等特点，不仅涉及的技术范围十分广泛，应用范畴也十分多样。基于此，梳理出数字孪生的五个典型技术特征：互操作性、可拓展性、实时性、保真性、闭环性。互操作性：物理实体与数字虚体间双向映射、动态交互和实时连接可拓展性：集成、添加、替换数字模型实时性：通过数字技术手段完成对物理实体实时状态的数字虚体同步映射保真性：数字虚体对物理实体在几何结构、状态和时态等多维度仿真闭环性：数字虚体对物理实体的形、态进行优化，实现决策二、数字孪生与建筑业数字建筑时代背景二、数字孪生与建筑业数字建筑时代背景二、数字孪生与建筑业建筑业数字化转型的必要性建筑业耗能大1建筑产业对推动国民经济发展起到举足轻重的作用，是我国经济支柱之一。近年来，我国建筑产业发展迅速，规模不断壮大。国家统计局数据报告显示：2018年我国建筑业总产值突破26万亿元，同比增长6.2%，有力支撑了国民经济持续健康的发展。但由于建筑业长期以来粗放式的发展模式，导致建筑材料污染问题、资源与能源浪费现象日益严重。2018年全国建筑全过程能耗总量为21.47亿tce，占全国能源消费总量比重为46.5%；全国建筑全过程碳排放总量为49.3亿tCO2，占全国碳排放的比重为51.3%。二、数字孪生与建筑业建筑业数字化转型的必要性建筑行业数字化水平低2建筑行业一直以来对信息流通的要求比较高，是信息最密集的行业之一。在整个信息链传递过程中，信息需要以清晰可用的格式，准确、及时地被接受者采用。在规划、设计及施工过程中，信息资料往往以文字资料、设计图纸及工程影像资料等海量数据集合。建筑生命周期各个阶段内这些数据难以流转、不互通，不仅造成了大量的纸张浪费，还阻碍了工程项目进程。二、数字孪生与建筑业建筑业数字化转型的必要性建筑行业运营效率低下3可见，建设项目信息冗杂、流程繁琐、设备复杂多样，各阶段管理人员往往不能全面接收信息，也不具备全面的建筑专业知识，导致日常管理工作效率低下，不能满足日常需求。然而近几年由于政策调控和疫情影响，建筑业产值增速缓慢，亟需调整至精益化的管理模式。二、数字孪生与建筑业数字孪生技术在建筑领域中的应用现状目前，我国处于建筑行业数字化的探索阶段。基于BIM、云计算、物联网等技术的工程项目应用研究已逐渐增多，提高了行业生产运作效率。数字孪生作为数字化技术交互融合的高级形态，应成为未来建筑行业普遍运用的的关键技术之一。进度管理调度仿真及方案优化进度计划优化程序编写程序优化后进行进度方案比选二、数字孪生与建筑业数字孪生技术在建筑领域中的应用现状目前，我国处于建筑行业数字化的探索阶段。基于BIM、云计算、物联网等技术的工程项目应用研究已逐渐增多，提高了行业生产运作效率。数字孪生作为数字化技术交互融合的高级形态，应成为未来建筑行业普遍运用的的关键技术之一。工程质量监控及管理基于RFID的物料二维码标签管理通过智慧工地管理系统来记录项目大量的物料信息二、数字孪生与建筑业数字孪生技术在建筑领域中的应用现状目前，我国处于建筑行业数字化的探索阶段。基于BIM、云计算、物联网等技术的工程项目应用研究已逐渐增多，提高了行业生产运作效率。数字孪生作为数字化技术交互融合的高级形态，应成为未来建筑行业普遍运用的的关键技术之一。施工仿真优化研究对重点部位的钢结构安装进行施工辅助，协助钢结构专业进行安装模拟及节点优化，施工辅助BIM模型一键出图。三、数字孪生在其他领域的应用安全救急城市管理建筑建设航空航天环境保护智慧农业电力领域医疗健康汽车制造航天器预测维护、航天器故障分析、装配线监控优化、安全和安全管理水资源管理、森林利用和管理橄榄种植监测、家畜健康监测、动物运动跟踪、农场机器跟踪、病虫害和农药监测涡轮机预测维护、电厂健康的管理、电网规划运营维护健康监测、心脏病研究、个性化医疗、资源分配、员工安排设计验证、故障预测维护、燃油效率优化、汽车性能测试减轻现有风险和危害、灾难性的灾难预防、安全网络保护实时监控、城市规划、政策制定、HAVC控制进度监测、预算调整、工人安全监测、建筑质量评估、提高设备使用率、资源分配和废物跟踪四、数字孪生应用发展势态数字孪生已是必然趋势目前，城市在规划、建设、管理上依然存在很多问题，例如数据割裂不及时、监管手段落后等诸多弊端，迫切需要新的机制、新的手段来推动数字化、智慧化管理体系建设。智慧城市上海市智慧城市应用场景相比传统的城市建设发展，数字孪生城市将实现高标准规划、高质量建设、精细化管理，空间资源高效、有效利用，城市综合功能协调发展，物理城市与数字城市同步规划、同步建设、同生共长，城市大数据资产开放共享。数字孪生将会把我们的城市从过去的孤立管理带到系统管理的新时代！第二章数字孪生架构第二章数字孪生架构目录目录数字孪生理论架构数字孪生技术架构数字孪生技术的实现流程132一、数字孪生理论架构数字孪生的五维模型数字孪生的核心是模型和数据，为了将二者有效结合，首要任务是创建应用对象的数字孪生体。北京航空航天大学陶飞教授带领的团队在先前智能制造领域的钻研下，将孪生数据和服务两个要素拓展到数字孪生三维模型中，使得数字孪生模型结构发展成如图所示的五维结构模型。1、物理实体(PE)物体实体是数字孪生五维模型的构成基础，主要包括各子系统具备不同的功能，共同支持设备的运行以及传感器采集设备和环境数据。对物理实体的准确分析与有效维护是建立数字孪生模型的前提。2、虚拟模型(VE)虚拟实体模型包括几何模型、物理模型、行为模型和规则模型，从多时间尺度、多空间尺度对物理实习进行描述和刻画，形成对物理实体的完整映射。可使用VR与AR技术实现虚拟实体与物理实体虚实叠加及融合显示,增强虚拟实体的沉浸性、真实性及交互性。一、数字孪生理论架构数字孪生的五维模型数字孪生的核心是模型和数据，为了将二者有效结合，首要任务是创建应用对象的数字孪生体。北京航空航天大学陶飞教授带领的团队在先前智能制造领域的钻研下，将孪生数据和服务两个要素拓展到数字孪生三维模型中，使得数字孪生模型结构发展成如图所示的五维结构模型。3、服务(Ss)服务对数字孪生应用过程中面向不同领域、不同层次用户、不同业务所需的各类数据、模型、算法、仿真、结果等进行服务化封装，并以应用软件或移动端App的形式提供给用户，实现对服务的便捷与按需使用。4、孪生数据(DD)孪生数据是数字孪生的驱动，集成融合了信息数据与物理数据，满足信息空间与物理空间的一致性与同步性需求，能提供更加准确、全面的全要素/全流程/全业务数据支持。5、连接(CN)连接模型包括连接使物理实体、虚拟实体、服务在运行中保持交互、一致与同步以及连接使物理实体、虚拟实体、服务产生的数据实时存入孪生数据，并使孪生数据能够驱动三者运行。一、数字孪生理论架构数字孪生的交互理论模型连接与交互式实现数字孪生动态运行和虚实空间高度融合的核心关键。数字孪生交互包含了内部交互和外部交互。内部交互主要指同维度要素之间交互和跨维度要素之间交互；外部交互主要指数字孪生与围绕人、机、料、法、环上产制造过程的交互。二、数字孪生技术架构数字孪生是在数字孪生的基础上，利用传感器、物联网、虚拟现实、人工智能等数字技术对真实世界中物理实体和智能实体对象的特征、行为、形成过程和性能等进行描述和建模的过程和方法，也称为虚拟孪生技术。二、数字孪生技术架构数字孪生的基本技术数字孪生的基础技术包括感知、网络，这些技术贯穿数字孪生的五维模型，使之相互联系、共同作用，是构成数字孪生模型的基石。感知感知是数字孪生体系架构中的底层基础。感知技术是通过物理、化学、生物等效应感受事物的状态、特征和方式的信息，按照一定规律转换成可利用信号，用以表征目标外部特征信息的信息获取技术。一个完备的数字孪生系统应具备对外部运行环境和内部组成部件的数据信息获取能力，进而实现物理对象与对应的数字孪生系统之间全要素、全业务、全流程精准映射与实时交互。不仅如此，数字孪生系统还应考虑数据间的协同交互，明确物体在全域的空间位置及唯一标识，使连接设备的运行势态获得多维度、多层次的精准监控。二、数字孪生技术架构数字孪生的基本技术数字孪生的基础技术包括感知、网络，这些技术贯穿数字孪生的五维模型，使之相互联系、共同作用，是构成数字孪生模型的基石。网络网络是数字孪生体系架构的基础设施。在数字孪生系统中，网络能连接物理对象与其余各部分系统，促使它们之间完成信息的交互和传输。随着数字化技术与建筑的结合越来越深入，移动网络逐渐应用于居民楼、医院、写字楼等多个建筑场景。以上的应用特点不仅要求网络具备较高的灵活性，能满足多样化的业务需求和高速率数据上传，还要求网络具备较高的承载能力，能够满足极限设备的连接等。因此，数字孪生体系架构需要强大的网络技术的支撑，以实现物理网络的极简化和智慧化运维。二、数字孪生技术架构数字孪生的核心技术数字孪生的核心技术为数字孪生系统的构建提供了关键支撑，是实现各部分主体功能的重要组成部分，也是连接虚拟与实体的重要路径。数据处理数据在数字孪生模型中占有极高的比例，因此如何将系统内的大量数据提取并进行融合交互是实现孪生数据处理的关键。在数字孪生体系架构中，首先由连接物理实体的底层感知系统接收大量的外界环境信息。其次，通过一定的数据处理手段将各种复杂、多元、异构的数据简化并传递给下一个阶段。在数据处理过程中，由于数字孪生模型中的数据体量大、种类多、结构复杂，需要将它们依照数据特点进行分类并存储在不同的数据库中。不仅要考虑数据自身的特性，还要考虑数据之间的交互特点。二、数字孪生技术架构数字孪生的核心技术数字孪生的核心技术为数字孪生系统的构建提供了关键支撑，是实现各部分主体功能的重要组成部分，也是连接虚拟与实体的重要路径。建模建模是依照物理实体的外在结构和内部联系，通过软件对其进行刻画，形成物理世界的数字虚拟模型的过程。在基于物理的建模方法中，面向数字孪生的多领域多尺度融合建模方法非常重要，因为应用对象不在单一环境中。多尺度建模可以连接不同时间尺度的物理过程，因此，这种计算模型可以具有更高的精度。虽然基于物理的建模方法可以描述对象的外部变化，但对内在规则的建模通常是使用基于语义的方法来完成的。语义网络模型是知识表示中的一种符号网络；通过在语义知识中预先存储由模型中固有的连接组成的知识，当要应用的对象需要根据规则进行一些改变时，可以与连接一起搜索。仿真与建模密切相关，仿真的作用是让我们更好地了解物理实体的变化，所以数字孪生的仿真技术是保证数字孪生与物理实体形成有效闭环的核心方法。二、数字孪生技术架构数字孪生的核心技术数字孪生的核心技术为数字孪生系统的构建提供了关键支撑，是实现各部分主体功能的重要组成部分，也是连接虚拟与实体的重要路径。仿真仿真技术是通过计算机和专用工具，将特定的模型进行参数处理，以实现对于系统模型的动态模拟和构思实践。在这一过程中，只要模型是完整的，就能基于输入信息和环境数据精确地反映物理世界的状态和特性。所以，仿真技术是对现实中某一物体或某些过程的抽象性模仿，人们通过这一模仿过程进行实验，通过记录相关信息完成进一步的推理和验证，以确认建模过程的准确性以及推动对现实问题的某些决策。传统的仿真方法是一个迭代过程，即针对实际系统某一层次的特性(过程)，抽象出一个模型，然后假设态势(输入)，进行试验，由试验者判读输出结果和验证模型，根据判断的情况来修改模型和有关的参数。如此迭代地进行，直到认为这个模型已满足试验者对客观系统的某一层次的仿真目的为止。三、数字孪生的技术实现流程基于上述技术，数字孪生得以通过模拟物理对象在现实环境中的行为，实现故障诊断、状态监控和综合优化等功能。而技术并非独立存在，需要通过某种流程进行融合，以搭建从物理世界到孪生空间的信息监护闭环。从数字化物理实体到最终的应用分别为标识感知层、数据互动层、建模仿真层和交互控制层。第三章智能建造全生命周期管理目录目录理论研究阐述全生命周期管理相关研究数字孪生与智能建造全生命周期智能建造关键技术体系智能建造全生命周期管理135421.1智能建造的提出背景我国建筑业四阶段阶段名称具体内容①20世纪80年代前以手工业为主的现场施工阶段该阶段通过纸质、口头的方式来传递资料，施工周期长、机械化程度较低、效率低下②机械与施工相结合的建筑机械化阶段我国引进众多高科技施工软件，以工程机械化、管理科学化的思想指导施工，正式步入机械化综合施工时期③以BIM为主导的信息化建设阶段随着计算机网络与通信技术的发展，在3D信息技术的指导下，使得工程施工建设更加高效安全④信息化发展的智能建造阶段以智慧平台为基础，融合物联网技术与智能设备，建造过程信息化实现了以更少的人力获得更快的项目进度、更高的项目质量，同时兼顾环境保护，促进建筑行业绿色可持续发展随着工业4.0时代的到来，以物联网、大数据、云计算为代表的新一代信息技术与人工智能技术正日益广泛地应用于工程项目建设中，从而衍生出了“智能建造”的概念。实现智能建造模式被广泛地认为是工业4.0背景下建筑业转型升级的必由之路智能建造发展要求传统建造与智能建造对比表内容传统建造智能建造应用范围应用于以施工、设计等单一阶段为主应用于全生命周期所有阶段技术支撑依靠CAD、互联网、数据库等传统计算机技术主要依靠BIM技术、物联网、云计算、大数据4D可视化等新兴信息技术的集成应用组织形式组织形式松散、冗长，根据具体管理任务建立的临时组织组织结构扁平化，统一协调，各参与方集成管理信息传递方式过纸质文档、会议、传真、邮件、物流等方式基于BIM与物联网技术的信息实时交互与共享，数据自动采集、录入、存储、处理和分析目标完成项目合同信息化、智能化、绿色化信息共享信息孤岛与断层，数据失真，沟通不畅全生命周期数据共享与信息化管理，高效协同，数据互联互通参建方相互交织，错综复杂需多方协同工作成本管理被动参与，事后控制，相互独立能够主动控制，事前预警，集成管理1.1智能建造的提出背景智能建造是建造技术与管理理论逐步标准化和体系化的过程，为设计企业与建筑公司提供技术指导，有助于提高工程项目质量效率，是建筑业结构调整、实现绿色现代化的重要工具智能建造为建造各参与方，如业主、设计方、施工方、监理方等提供了统一的信息上传渠道，使各方的沟通方式更为简便高效，有助于促进各方对建筑构建的参与认识，避免信息孤岛现象智能建造对于项目方案优化及项目技术的提升，有助于缩短工期、节约资源、控制成本，进而提升项目经济可行性利用在施工现场安装的监控设备，使现场施工控制全面智能化监管，有利于减少人员、设备、技术及管理的漏洞失误，实现高效统一管理技术层面社会层面经济层面安全层面智能建造1.2智能建造的内涵智能建造的本质是将设计与管理相结合以实现动态配置的生产方式，进而对施工方式进行改造和升级2BLM的内涵及优势BLM理念的内涵序号BLM的内涵具体方法1BLM目的是使项目增值通过解决信息的创建、管理和共享以便更好地服务于管理者从而实现成本节约、周期缩短、达到项目增值的目的2BLM是一个综合性的管理概念BLM理念实施过程中涉及项目的方方面面，包括文件管理、流程管理、价值管理和信息管理等管理活动3BLM的核心是信息管理项目信息量大且易于变化导致难以对信息进行管理，但是通过BLM理念可解决项目全过程中的信息创建、管理和共享等难题4通过PIP技术可以是BLM实现共享通过PIP技术对BIM模型中的基础数据的调用有利于实现BLM理念的信息共享，可为用户建立统一的共享平台BLM理念的优势序号BLM理念的优势具体表现1更好地创建信息在数字化的形势下利用BIM技术创建建设工程设计信息，可以保证信息的数字化形式、减少信息的重复输入，确保信息有用和准确无误2更好地管理信息①BLM的实现过程是以数字化的形式创建和保存信息②通过有效制度的建立实现数字化信息的跟踪过程③实现多方面的信息关联④为项目相关用户提供账户登录界面3更好地共享信息①借助PIP技术为各种不同需求的用户提供对应不同权限的信息入口②通过有效的数据交换机制使得各相关方之间建立起畅通的信息交流通路3.1数字孪生与智能建造全生命周期关系数字孪生与智能建造全生命周期关系图03040102数智字能孪建生造概念-基础技术-有效手段空间-关键功能-核心内容01数字孪生技术是智能建造不断深化的重要环节、深入发展的必然阶段、推进抓手和运行体现数字孪生空间中的建筑进行三维仿真，实现对实体建造全过程中所涉及的施工数据管理的优化和实时模拟数字孪生是数字技术与实体工程相结合的产物，也是智能建造的核心技术手段之一数字孪生将其与实际施工情况相结合，实现设计与施工无缝衔接，提升建筑施工质量、降低成本并提高经济效益可视化呈现：由于虚拟数字空间中的模型是根据现实物理世界进行搭建的，因此可以通过BIM模型、有限元模型、三维点云模型将建筑物实体的相关性能做可视化呈现，实现现实同虚拟的一一映射描述智能诊断：在虚拟映射的基础上，由孪生模型中的数据层，进行建筑物的信息处理，实现对建造过程中风险的智能诊断诊断科学预测：孪生模型可以根据已获取的数据拟合出建筑物的性能函数，从而准确预测安全风险的影响程度以及引起风险的作用机理，保障建造的科学性和可行性预测辅助决策：通过对现实数据和模拟数据进行综合分析后，可结合建造过程中的相关性能限值，对建造过程进行指导，从而辅助施工、科学决策决策3.2数字孪生在智能建造中的应用价值BIM技术是建造数字建模+仿真交互的重要基础，为工程项目全生命周期、全参与方、全要素提供了一个各阶段工程信息数据可实现流通、转换、交换和共享的平台，使得工程项目管理更加精细化、科学化数字化建模依据仿真结果对建造设计施工方案进行修改、优化，提升方案可行性，从而进一步控制项目质量、进度和成本，提高建造品质数字化设计与仿真通过BIM+VR、BIM+AR等应用实时渲染，建造场景可视化呈现，为使用者提供新型建造表达方式数字可视化4智能建造关键技术体系数字建模+仿真交互：主要体现在数字化建模、数字化设计与仿真、数字可视化技术三方面感知技术感知技术是通过物理、化学和生物效应等手段，基于不同环境状态下材料的电化学性质的变化，将感知的状态输出为模拟数字信号，通过转换算法转换为物理状态，获取被感知建造项目的状态、特征、方式和过程的一种信息获取与表达技术网络技术作为支撑智能建造信息沟通的媒介，网络技术将互联网上分散的资源融为有机整体，实现资源的全面共享和有机协作。借此用户可按需获取资源信息平台技术平台技术通过将与工程建造领域相关的物联网、大数据、云计算、移动互联网等技术设备与建筑业全生命周期建造活动的各环节相互融合，实现了信息感知、数据采集、知识积累、辅助决策、精细化施工与管理0102034智能建造关键技术体系泛在感知+宽带物联：主要体