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数字孪生技术及其在智能建造中的应用
2024-07-08 10:28

为促进建筑行业的转型升级,引进和推广数字孪生技术在智能建造中的应用十分重要。首先介绍数字孪生技术的相关内涵特点、发展历程及主要应用,总结出数字孪生技术的五大特点和发展趋势。通过阐述智能建造的相关内涵,分析数字孪生和智能建造的特点,总结了两者的关系。在此基础上,分析了数字孪生技术应用于智能建造过程中亟需解决的四个关键问题,针对这四个问题,搭建了数字孪生应用于智能建造施工阶段的框架,并总结了数字孪生在智能建造各阶段中的应用内容及价值,为今后的相关研究和应用提供理论依据。

数字孪生技术是以高度仿真的动态数字模型来模拟验证物理实体的状态和行为的技术,旨在以虚映实、以虚控实。董雷霆等得出数字孪生技术可以准确评估飞机结构的安全性能。李浩等提出了基于数字孪生的智能服务系统,为现代制造服务的智能化转型升级提供了参考。王建军等提出了数字孪生驱动的整体模型和应用框架,推进航天工业智能制造的发展。Grégorio等提出了基于数字孪生的装配式组件虚拟表达方法,以便控制组件表面的位置和方向偏差。由此可见,数字孪生技术在制造业已经有了很深入的研究和应用。

智能建造是一种广义的概念,是指在项目建造过程中,充分利用先进的智能化、机械化技术手段,达到项目质量、安全、进度、成本更优的目的,构建项目建造和运行的智能化环境。樊启祥等建立了基于工程技术和管理大数据的机理分析功能,推动了智能建造技术和管理体系在基础设施的研发应用。吴建清等探索了智慧公路的全生命周期的管理模式,阐述了公路施工的智能建造[9]。Khoury等在智能建造应用过程中开发并评估了三种不同的无基础设施跟踪系统,用于跟踪建筑工地移动人员,保证了现场工人的安全[10]。Choi团队利用视觉驱动的6自由度位移估计方法,实现了工地现场各构件的智能化定位从而保证了施工进度。Gong等利用UWB跟踪系统实现了混凝土内部振动器的精确定位,从而为振动器操作人员提供了混凝土固化质量的实时反馈,并识别振动缺陷。

综上所述,数字孪生在制造业的应用较多,但在建造方面的应用较少,同时,智能建造的发展还处于初级阶段。本文通过总结数字孪生的相关内涵及应用发展、分析数字孪生与智能建造的关系,探索了数字孪生技术在智能建造中的应用,从而推动建筑行业的转型升级。

当前正是数字孪生技术发展的成长期,通过对数字孪生技术架构的分析,可以总结出数字孪生技术的主要应用层面。本文主要从数字化工厂、智慧城市、智能建筑三个方面分析数字孪生理念的应用。

数字化工厂

随着数字孪生等技术在制造业中的广泛应用,传统、单一的制造模式已经逐步转变为现代化的集成生产模式,从而为制造业和制造技术的发展提供了一个新的概念及发展途径,这就被称为“数字化工厂”。

陶飞等提出了数字孪生车间并基于车间孪生数据的信息物理融合理论,明确了今后数字孪生车间发展所需的关键技术。Ríos提出了通用产品的数字孪生体定义,将数字孪生由复杂的飞行器领域向一般工业领域进行拓展和推广。Bicocchi等研究了数字工厂的互操作性架构,并提出了一个面向服务和数据共享体系结构特征的数字孪生应用框架[27]。隋少春等通过分析数字孪生和人工智能技术的特点,实现了数字化车间的智能控制[28]

数字化工厂的建立和广泛实践,使数字孪生技术应用于产品的整个生命周期,有效缩短了新产品的生产周期,为制造行业在新经济形势下的发展提供了新的途径[29]

智慧城市

随着移动互联网、云计算、大数据等新一轮信息通信技术的发展,智慧城市逐渐成为城市建设的重要发展趋势。在智慧城市的发展和建设过程中数字孪生的理念也得到了进一步的应用。陶飞等阐述了物理城市、虚拟城市、城市大数据、虚实交互、智能服务之间的关系,搭建了数字孪生城市的运行框架。我国政府将数字孪生城市作为实现智慧城市的必要途径和有效手段,在雄安新区的规划中致力于将雄安打造为数字城市。中国信通院成功举办了3次数字孪生城市研讨会,得出了一系列理论研究成果。在数字孪生理念应用于智慧城市建设中,要明确智慧城市管理服务的动态实现与虚拟地理环境是紧密联系的。

未来十年,智慧城市的主要工作就是打造数字孪生城市,其根本目的是产生新的应用、社会价值及生产力。而城市运营流程的数字孪生化主要是智慧政务、数字政务等内容。数字孪生驱动的智慧城市能够达到虚拟服务现实、模拟仿真决策、智能化发展的目标。

智能建筑

近年来,随着现代化信息技术的不断提升和应用,建筑行业也获得了很大的发展,其中数字孪生技术在建筑行业的应用推动了智能建筑的发展。傅丽芳在建筑测量过程中提出数字化监测方法,解决了传统建筑质量监测中误差过大等问题。韩佳等设计了火灾自动报警系统,为智能建筑的防火控制搭建了数字孪生理论体系。罗钢等研发了基于BIM的绿色智能运维管理平台,实现了运维过程的数字孪生。在智能建筑运维方面,不少专家学者正研究数字孪生驱动的消防安全疏散方法,利用建筑信息建模技术和物联网技术,结合智能算法,实现环境信息实时采集及疏散路径规划等功能。在建筑装修方面,随着数字技术的不断完善,虚拟现实技术驱动的室内装饰成为主流。另外,室内设计也在创造性地使用互联网空间设计平台。由此可见,在建筑的装饰装修领域,数字孪生技术已经有所应用,并不断提高装饰的精度。在数字孪生技术架构下,建筑的施工和运维不断智能化,这也促进了智能建造的发展。

 

PLtwin数字孪生拥有Unity游戏引擎与GIS&BIM地图的两条技术产品,包含3D建模与开发的独立数字孪生团队,利用三维建模技术还原真实场景,模拟仿真运行状态,打通业务数据,实现数字化"一张图"的多种应用场景。广泛应用于智慧社区、房地产、智慧城市、智慧工厂、数字产线、工艺仿真等诸多领域。

 

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