从工程数字化应用到智慧城市实践

中国电力建设集团华东勘测设计研究院有限公司IT总监 王金锋

工程数字化历经数十年的发展，已经迎来全新的发展阶段。从工程数字化在设计、建设阶段的应用，到工程全生命周期管理，智慧城市、数字孪生概念的提出；从单项目、项目集群的数字化应用，到数字城市、智慧城市的建设实践，工程数字化的指导思想、理念、应用场景及要求，均发生了改变。

工程数字化发展概述

1946年，美国宾夕法尼亚大学诞生了第一台计算机ENIAC，标志着人类社会进入信息时代；1969年，美国国防部高级研究计划署建立了“阿帕网”，实现了大型计算机之间的相互通讯与计算资源调用，成为了全球因特网的前身；上世纪80年代初开始，随着微型计算机的普及，人类开始全面迈入信息时代。随着全球信息化浪潮的不断兴起，给各行各业带来了新的运营模式和发展机遇。其中，工程行业伴随着此次浪潮，也在1982年至1985年间催生出了工程数字化技术的萌芽。

工程数字化技术是在计算机、互联网计算基础上，形成的一个新型图形技术、计算技术、网络技术和工程技术的结合。根据计算机技术水平发展、目的和驱动方式的不同，可划分为图纸驱动阶段、模型驱动阶段、数据驱动阶段三个阶段（图1）。

在图纸驱动阶段，工程数字化的目的是利用CAD技术快速实现从手工制图向计算机辅助制图的转变；在模型驱动阶段，工程数字化技术围绕 BIM（Building Information Modeling）技术，利用基于三维模型的协同设计，赋能传统交付方式，提升设计工作的效率和质量；在数据驱动阶段，随着工程数据的不断被挖掘、整合和利用的需要，工程行业逐步演化和数字孪生（Digital Twin）概念被提出，以工程数据为核心，整体迈向工程数字化产品交付与工程数字化运营阶段，工程数字化的价值不仅限于设计阶段，而是为工程的全生命周期提供一种智慧化的服务模式。工程数字化的三个阶段，如图1所示。

而随着工程数字化技术的发展、数字工程和智慧城市应用需求的增长，近年来，数字孪生技术和应用脱颖而出，逐步融合演变至工程及城市建设的各个领域，对城市、工程、环境、活动等全部数据信息的构成要素，以最广泛的数字化技术进行感知与联通，最终实现形成与工程、城市实时相互映射的数据集合体。数字孪生技术为数字工程和新型智慧城市建设提供了全新的技术与管理思路。

结合中国电力建设集团华东勘测设计研究院（以下简称“华东院”）10多年来在工程数字化与数字城市应用方面的经验，笔者认为，随着数字工程技术的不断发展，工程企业应在工程与城市建设的各个阶段中，把握从工程数字化、数字化工程、全生命周期管理、数字孪生和数字城市等不同技术在工程应用阶段的特征，以及工程企业在数字转型发展中面临的机遇和挑战。

数字孪生

从工程数字化到数字化工程

工程数字化是在信息化基础上开展的一种企业内向型的能力建设，是在规划、设计、建造、运维的各个阶段，通过三维数字化技术实现传统设计交付，如三维设计、二维出图，最终提高企业自身的设计、生产、管理等方面质量的问题，解决企业设计交付的能力问题和水平问题，为工程企业赋能增效。目前，全国各行各业工程数字化的能力、作用和实现方法基本是一致的，且得到了快速发展和应用，工程数字化能力已成为整个工程行业和社会发展的基础和倍增器。

华东院从2003年开始进行工程数字化建设，建立了一套完整的三维数字化解决方案（图2）。在实践过程中，总结出了“一个平台、一个模型、一个数据架构”的工程数字化理念，其既符合工程设计需求，又符合计算机科学原理的工程数字化理论体系。通过和美国Bentley软件公司合作，把国外优秀的工程数字化软件应用到中国，并根据国内设计行业实际情况，进行应用软件的场景化开发和行业化定制，实现了中国本土工程数字化技术的落地。

目前，华东院工程数字化能力已迅速从水电领域推广到电力、风电、水利、轨道、交通、路桥等专业，以及EPC、工程总承包其他工程领域，不仅实现了大型多专业复杂工程的正向三维设计和二维出图、设计过程的质量与效率显著提升，而且实现了工程建设全过程的数字化技术应用与管理，为国内勘察设计行业和工程企业的三维数字化应用，起到了极大的推动和示范作用。

数字化工程是在工程数字化基础上开展的一种企业外向型能力建设，是企业在能力、产品和服务形式上的一种改变与提升。通过数字化工程，企业提供给业主、政府的是一种基于数据的贯穿工程规划、设计、施工、运营等工程全生命周期的数字化解决方案和服务能力。相比工程数字化，交付物已经发生了根本变化，不再仅仅是图纸和报告，而是完全具备有数字化特征的产品和服务。通过数字化工程，工程的规划、设计、施工、运营等各个阶段，新型的产品和服务均可以得到数字化能力的深刻赋能。

基于数字化工程外向型的能力属性，华东院不断打造形成了基于数据、贯穿工程规划、设计、施工、运营等工程全生命周期的成熟数字化解决方案和服务输出能力，并进一步整合形成了华东院的工程数字化管理品牌 —— CyberEng。

CyberEng系列产品紧紧围绕工程建设全生命周期业务，利用BIM、GIS、IoT、遥感、移动互联、大数据、区块链和云计算等前沿技术，为从工程规划、设计、施工、运营的全过程提供智慧化服务，目前已覆盖15个行业、24个国家。华东院工程数字化管理品牌架构，如图3所示。

从数字化工程到数字孪生

工程数字化和数字化工程，均会产生海量的工程与管理数据。有效管理和使用这些珍贵的工程数据，必须将工程数据根据规则汇聚形成工程数据中心（EDC）。工程数据中心正是实现工程数字孪生、创造数字化工程价值的重要基础。因此，研发建设好工程数据中心（EDC），是实现数字孪生的关键。该中心以BIM为核心载体的工程项目的数据标准制定者、数据管理者、数据校验者和服务提供者，根据各行业各阶段BIM模型的定义，建立工程元数据库，组织协调相关设计、建管、运维三大平台的主数据及逻辑关系，实现多种规格、不同形式、不同阶段的数据在工程建设的全过程贯通融合。

数字孪生是在此基础上实现与工程、城市与应用等实时、完整、真实的的数字化映像，它将可以时刻反映实际物体的属性、参数和内容的变化情况，将原来分散在各个城市、工程、设备、人员活动中的各种静态与动态数据，通过互联网、物联网等传感系统，集中到一个可以被管理者管理、控制、分析和应用的数字复合体——数字孪生，使数据从离散形态变为集合形态、从静态变为动态、从离线变成在线、从可看变成可控、从工程的数字档案变成为工程的核心资产，从而创造出数据价值和业务价值，为各业务系统提供数据服务、模型服务及多维时空服务的解决方案。

各类工程数据在规划设计和建设过程中收集、整合，与全生命周期管理过程中不断产生的新数据并进行整合，形成有标准、有规则、有排列、有逻辑、有功能分布、有属性、可溯源、可管理的工程数据中心或城市信息模型（CIM），成为支撑数字孪生的核心资产，随着时间与数据的更新而持续变化，将为智慧城市建设与管理提供高效的信息载体。数字孪生的核心价值在于工程（或城市）数据的一次产生，可在智慧工程（或城市）中终生使用。

新型智慧城市建设

随着数字技术的进步以及社会需求的增长，数字化工程的应用规模越来越大，从单个项目应用逐步扩展到多项目、项目群，直至现在许多城市级智慧城市的数字化应用实践，项目类型、数据类型、工程接口、应用场景等成倍增多，管理的复杂度呈指数级增长，智慧城市建设过程中对工程数字化技术水平、理论体系、CIM管理平台、各参与方在项目中的责任与角色，都提出了新的要求。因此，智慧城市的技术、建设与管理理念，时常出现混淆。

笔者认为，新型智慧城市应该是各方行动者有效地利用技术与数据，优化各自的管理与决策并显著提升居民生活质量的城市。建设新型智慧城市不是政府和企业的目的，而是提升城市居民生活质量的一种重要手段。

智慧城市建设要求城市建设管理、工程技术与数字化技术深度融合，打造城市最广泛的数字化、智慧化联通，在城市建设规划、设计、建造、运维全阶段，依托数字孪生建设完成各个工程项目数据的有效汇聚，以形成项目及项目群的工程数据中心；通过各个工程数据中心、智慧应用系统数据中心进行再汇聚，逐渐演化成城市信息中心（CIM）。

新型智慧城市应该从以下三个层面推动协同建设：

第一层是基础设施层。包括高速联通的通讯网络和传感器。基础设施的数字化是智慧城市建设的基础，只有先做好基础设施的数字化，才能真正实现城市的智慧化感知和智慧化管理。

第二层是智能应用层。可分为安全、出行、健康、能源、水、垃圾、经济发展和设施、市民参与和社区八大类。正如麦肯锡在 2018年发布的《智慧城市：数字技术打造宜居家园》报告中所述，科技只是一种基础设施、资源分配与空间共享的工具，智慧城市建设的最终目标仍在于更高效、更动态地响应城市居民的需求和期望。

第三层是城市、企业和公众的接纳及使用程度。城市的数字化建设需要政府政策的强制性管理，而智慧化建设需要社会各界的兼容性应用。只有全面进行城市的数字化建设，才能真正实现城市的智慧化管理。新型智慧城市建设内涵，如图4所示。

近年来，华东院在智慧城市领域开展了丰富的应用与实践，参与了深圳前海、河北雄安、西安沣西等具有代表性的智慧城市项目。其中，深圳前海自贸合作区占地面积约15平方公里，基础设施建设投资超过4000亿元，很多工程的地下空间为6层和7层，规划设计和建设管理要求非常复杂。华东院将整个深圳前海“天上地下”、建筑现状、规划设计、建设进展过程全部进行了数字化管理，整个前海的规划、设计、施工、运维，都可以实时集中在“前海数字城市建设管理平台”上进行统一管控，成功打造出了一个中国新型数字城市建设样本（图5）。

此外，华东院作为浙江省政府数字化工程“未来社区”工作的主要推动者，视未来社区为“智慧城市建设的重要环节和最小智慧化的应用单元”。华东院成立了浙江省未来社区CIM研究中心，为浙江省政府开发了统一的“浙江省未来社区 CIM建设管理平台”，为浙江省政府统筹管理浙江省内各个城市的未来社区数字化建设，提供了全过程技术咨询以及配套的软件服务。未来社区平台，如图6所示。

实现从“工程+IT”到“IT+工程”的转变

在工程数字化、数字化工程、数字孪生和智慧城市等技术与应用快速发展建设过程中，政府和工程企业实际上面临着巨大的机遇和挑战。对于政府而言，如果没有把握数字工程、数字城市、智慧城市和数字经济发展的总脉络，没有及时在战略上进行引导部署，城市的整体数字技术应用发展水平、企业数字化转型和城市的数字化新经济动能就会相对落后，甚至会影响到整个城市其他的业态发展，包括政府的城市数字化治理、数字科技产业的发展也许都会受到影响。而对于工程企业而言，如果不能够及时把技术能力、服务产品、生产能力、服务模式向数字化转型发展，就有可能会在数字经济发展的过程中脱节，从而逐渐在数字化转型发展的浪潮中逐渐失去竞争力。

因此，工程企业首先要实现“工程+IT”，利用数字技术提升企业的服务能力和改进企业的服务产品，从而为企业进一步实现数字化转型做好充分准备。工程企业最终要以实现“IT+工程”为目标，使服务产品和服务模式具有明显数字化的属性，满足企业数字时代的基本需求。

相信在不久的将来，每一个工程企业，都会逐渐形成IT企业的属性，企业的服务模式、服务产品、专业人员结构也都将发生一次深刻的变化 , 形成基于信息化和数字化技术为支撑的企业运营、生产与服务模式，最终实现从企业信息化到信息化企业转变、从工程数字化到数字化工程的转变，完成从工程数字化技术应用能力的提升到数字化工程服务产品和交付能力的转变。

数字孪生技术是工程数字化技术应用发展过程中的一个全新的、重要的技术路线，也是未来数字工程、数字城市、智慧城市等数字工程发展的必由之路。发展数字孪生技术、打造数字工程和智慧城市，需要政府、工程企业、科技企业等各参与方的共同参与和努力。只要大家一起持续不断地坚持推进工程数字化应用和科技创新，坚定不移地推进工程企业和工程建设管理的数字化转型升级，在全社会形成广泛的工程数字化应用氛围，我们的企业、社会和国家一定能够逐步实现习主席提出的“数字中国、智慧社会”的宏伟愿景，我们整个人类社会也才能够真正实现从传统社会向数字化、智慧化社会的进化。