数字孪生赋能智慧基础设施

Bentley软件公司 Bentley iTwin平台营销总监 Antonio Montoya

建筑行业正变得越来越智能、互连和动态。无论是公路、桥梁和隧道，还是大坝、电网和输水管道，或是城市和机场，这些基础设施资产在建造时或是为了满足新确立的标准和期望而改造时，都在由数字赋能。这一进程是为了响应关键和多样化的社会需求，例如增强恢复力、可靠性和可持续性，以及增强用户的安全感和幸福感。物联网（IoT）、实景采集、人工智能（AI）和机器学习（ML）以及增强或虚拟现实（AR/VR）等新技术正在赋能和加速这种变化，并影响着我们规划、设计、建造、运营和维护建筑世界的方式。随着新的智能基础设施资产的建造和现有基础设施的改造，对数字“中枢神经系统”的需求正在从创新事项向必需品转变。基础设施资产的中枢神经系统就是基础设施数字孪生。

“智能”正在成为新常态

从2022年基础设施数字化光辉大奖赛的许多决赛入围项目中可以看出，数字化技术正在成为嵌入到Bentley客户目前设计和建造的基础设施资产中的基础组成要素。从智慧水利到智慧城市和机场，再到智能大坝，在过去几年里，光辉大奖赛评选出的大部分基础设施项目都在基础设施中采用了复杂的数字传感器和执行器，以推动施工、维护和运营。它们从一开始就实现了数字化。数字赋能不只限于新建基础设施，它也变成了第三方技术供应商和集成商提供的附加技术解决方案的一种选择。

新型基础设施，尤其是关键的基础设施，都采用多种数字赋能组件和材料进行设计和建造。数字赋能基础设施资产旨在从第一天开始就提供甚至使用丰富的数据流。这些数据不仅包括资产状态，也包括运营数据，例如自动事件监测、空气质量和温度以及能源消耗。ITER项目正在建造全世界最大的托卡马克核聚变反应堆，目标是评估利用这种能源进行大规模无碳发电的可行性。此项目是基础设施资产通过设计实现数字化的一个典型范例，因为它没有AI系统就无法运行。AI系统由大量传感器阵列馈电，以安全地控制核聚变反应堆内的等离子体。

此外，基础设施技术公司和系统集成商正在开发激动人心的新应用程序，以便对多种用途的现有基础设施进行数字化改造。SmartViz就是一个典型的例子，它是一家房地产技术公司，在Bentley iTwin平台上构建了用于建筑性能和优化的数字孪生分析解决方案。他们的解决方案集成了物联网数据、能耗和入住率分析，可通过AI引擎分析建筑性能，生成预测模型，帮助提高建筑能效和性能，同时增强居民体验和幸福感。

实景采集已尽在掌握

曾经，高度专业化的公司利用既昂贵又不稳定的设备进行实景采集，如今它已变得更容易获取、更经济、功能更多样。传感器的外形尺寸越来越小，处理软件越来越智能和自动化，采集平台也越来越多样化，功能也更多样。这些事实使得实景数据的使用出现了爆炸式增长，应用范围也在扩大，已从设计和施工阶段扩展到了运营阶段。

近几年的疫情进一步显现了实景采集技术快速发展所带来的影响。许多工程公司和业主运营商已经意识到，利用实景采集数据可以获得显著的优势，提升关键任务，提高任务的效率和安全性。它创新了项目团队开展检查、全景漫游和业主/项目相关方参与简报会的方式，设计、施工和移交更是如此。

对于基础设施资产的数字赋能来说，这意味着数据量会持续增加，为基础设施资产的维护、运营和干预提供丰富的信息，而且这也需要一个强大的技术平台来利用这些丰富而庞大的数据，使其可用于分析和可视化。这一趋势的一个典型案例是数字孪生数据提供商Allvision.ai。他们将现场数据和AI生成的快速数字孪生审计作为联合资源集成到Bentley iTwin平台中，支持移动领域的决策者改进工作流程，监控基础设施变更。

人工智能和机器学习是关键

基础设施数字孪生将广泛的数据汇集到一起。许多现有基础设施数据都隐藏在不透明的文档中，例如计算机无法读取的 PDF 和工程图纸。在其他情况下，新数据（尤其是实景采集数据）在数量和精确度上可能令人难以承受。机器学习可以帮助解锁这些数据，并连通多个来源。

此外，AI正在成为一种不可或缺的工具，用于检测由数字赋能基础设施产生的日益增长的数据量的模式和趋势。AI可以提供洞察，助力工程从业人员、业主运营商和基础设施用户提升决策过程。工程应用程序开发商Phocaz利用Bentley iTwin平台和 AI 构建了解决方案，用于为交通运输部门整合交通设计数据和图形工作流。Phocaz使用 AI 同步报告记录与特征位置，支持交通运输工程师追踪设计问题，例如道路设计中缺失段、付费项或路线名称。

进入元宇宙

AR和VR以及游戏引擎和先进的图像处理技术开始赋能基础设施行业进入元宇宙。元宇宙在 2022 年获得了相当高的曝光率，主要是在几家主流技术公司宣布元宇宙是网络作为体验式技术的下一个发展方向之后。元宇宙是Neal Stephenson于1992年在他的小说《雪崩》中杜撰并做了生动描述的一个术语，人们认为它启发了其他具有深远影响的技术的诞生，例如Google Earth。元宇宙已经成为了一个涵盖多项技术的概括性术语，这些技术使我们能够与世界各地的人们一起，通过集体合作的方式虚拟体验真实或幻想的世界。

VR支持以虚拟方式体验基础设施。这意味着项目团队和项目参与方可以进入“基础设施元宇宙”，访问项目设计或竣工版本，包括实景采集数据，用于虚拟全景漫游，解决问题，为关键决策提供信息。事实证明，这项技术在疫情期间弥足珍贵，同时也证明，对于像桥梁检查这种曾经具有风险的活动来说，是一种更加安全、更加便捷的方法。

AR 使现场用户能够在实物基础设施上覆盖设计数据、模拟和分析，体验而不是阅读了解计划的决策或干预措施的预期影响，并通过虚拟方式将情境化数据从基础设施孪生带到现场。AR 的一个非常有用的功能是能够看到墙壁内部和特定位置的地下情况。

简单来说，我们可以借助VR在基础设施数字孪生模型内进行虚拟传送，而借助AR，我们可以将基础设施数字孪生带到现场，覆盖现实世界。NeARabl和REscan等创新企业正在利用Bentley iTwin平台在移动设备上提供AR和VR体验，实现建筑和施工场地可视化，在其中体验和导航，将基础设施数字孪生带到现场和施工场地，再带到办公室。

开放平台和生态系统

从技术角度来讲，支持数字赋能基础设施所需的基础设施数字孪生平台应该是专门设计的开放、供应商中立且可扩展的平台，可满足基础设施设计、工程、运营和维护的需求，并支持资产之间的动态信息连接。从人类赋能角度来讲，这样的平台必须能支持和促进蓬勃发展的生态系统，它由实践社区和创新社区两个至关重要的社区构成。

实践社区将来自建筑、工程、施工和业主运营商专业和IT行业的从业人员汇聚在一起，构建必要的流程和标准，为从业人员提供所需的知识，用于构建、维护和充分利用基础设施数字孪生以及建筑世界中的数字赋能对应物。数字孪生联盟、施工创新中心和具有开拓精神的英国数字建造中心（领导开发了影响深远的Gemini Papers）等组织是这些新兴实践社区的几个杰出范例。

创新社区由建筑、工程、施工和业主运营商公司的数字化转型和研发人员以及共同致力于推动一流的基础设施技术和实践发展的技术公司、咨询公司和系统集成商构成。

为什么不能忽略数字赋能基础设施

“从原子到比特的转变是不可逆转和不可阻挡的。为什么时机就是现在？因为变化也是指数级的，昨天的微小差异在明天就可能产生令人震惊的结果。”——麻省理工学院媒体实验室创始人 Nicholas Negroponte

正如我们现实世界的其他方面，如电话、汽车和报纸，数字赋能已在我们的建筑世界中运转起来。汽车可能是未来基础设施发展的一个良好范例；毕竟，在戴姆勒-奔驰、宝马和特斯拉等创新企业的推动下，汽车现在在数字赋能道路上遥遥领先。它们拥有令人印象深刻的、不断增长的传感器技术矩阵，能够感知外部和内部环境，并做出决策来辅助驾驶员，提高安全性，优化能源消耗，减少碳排放量。

基础设施数字赋能的性质不像报纸那样绝对（它曾是 1992 年 Negroponte 引述的重点），但它对我们人类进步同样重要，甚至可能至关重要。毕竟，正如赋能可持续发展目标 ES(D)G 总监 Rodrigo Fernandes在今年说到，基础设施在全球温室气体排放中约占 79%。作为实践和创新社区，我们共同在基础设施方面产生的任何影响都必将造福我们的子孙后代。