首先看一下数字孪生在航天工程的体现：

美国“阿波罗”时代的“物理伴飞”，即建造与实际飞船同比例的飞船，在地面进行实际飞行操作，以此反映飞船在飞行中的状态，并为飞船的维护提供参考。美国宇航局在2010年发布的《美国宇航局空间技术路线图》中提出了数字孪生体的目标，并阐述了数字孪生是一个集成多物理场、多尺度的非确定性分析框架，能够联合高精度物理模型、传感器测量数据、飞行历史数据等，是镜像相应孪生飞行器的生命历程。

中国载人航天工程空间站系统总设计师、中国工程院院士杨宏在“智行中国”系列论坛上介绍到，原来中国拥有3个天宫空间站：从研制阶段到运行阶段，正样空间站发射成为在轨空间站，初样空间站改造成为地面模拟空间站，而空间站的数字模型，通过“数字孪生”，变为“数字空间站”。通过数字孪生技术实现了“天—地—数字”三站协同运行，同时也是“三位一体”。

地面模拟空间站可以在地验证飞行任务、软件升级、维修和故障对策、在轨维修和扩展、人机协同等；而数字空间站则可以进行飞行数据实时驱动、在轨状态检测和预测、趋势评估、飞行方案验证等。这样一来，天地协同保障长期在轨稳定运行，全面支持空间站发挥应用效能，“解决了在轨飞行状态动态变化、功能不断提升和扩展以及长寿命、高可靠、高安全运行等关键难题。

事实上，“天—地—数”3站协同模式，从研制阶段的全模型传递，到运行阶段的完善模型，一直处于同步中。

“天和”核心舱成功发射后，数字空间站就全天候24小时支持空间站在轨飞行，并在机械臂转位、出舱活动、机械臂巡检、首长通话、推进剂补加、实验舱转位等关键任务中提供了有力的支撑。逐梦三十年，圆梦空间站。

什么是数字孪生？

百度百科中的数字孪生 (Digital Twin)定义：充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。这个定义基本上道出了数字孪生的本质是基于物联网、传感器、模型、数据、映射、仿真多学科技术的集成应用，核心要解决的是设备（建筑）全生命周期的管理。 

简而言之，“数字孪生”的基础即数字模型、其核心是数据。BIM技术的关键也是依托在数据的基础上，具体实现是在数字空间中通过模拟创建具有生命周期的各种场景，并结合一些优化的软件辅助来进行应用，在设计阶段实现侦测设计错误与冲突，从而减少额外的施工成本支出，提升工程效率。BIM技术不仅为“数字孪生”工程提供了全方位的实体基础数据的底层支撑，并通过解决与其他数字模型结合实际场景的数据联动和全方位的业务协同，最大程度的满足项目的技术实践要求。 

数字孪生五维模型

PE：物理实体

VE：虚拟实体

Ss：服务

DD：孪生数据

CN：各组成部分间的连接

1.物理实体 (PE)

物理实体是数字孪生五维模型的基础，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.虚拟实体 (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。

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。

数字孪生技术的基础设施

中国信通院在数字孪生城市白皮书中指出，数字孪生的本质是技术集成。数字孪生的实现需要依赖诸多基础数字技术的融合创新，如物联网技术、5G通信网络技术、云计算、人工智能、建模仿真、GIS、BIM、大数据平台、数据中台、数据可视化。

正是这些基础数字技术的蓬勃发展，数字孪生才有机会从小尺度到大尺度都有了更多的应用场景，并变成了新的融合贯通式的数字化基础设施。

数字孪生世界方法论：V 模型

易知微在2022年整理出了数字孪生世界方法论V模型，主要包括模型化、集成化、数字化、系统化、智能化五个阶段的建设。

1.模型化

数字孪生世界的首要任务是对现实世界进行 3D 建模，建模又可以根据精细程度进行更细粒度的划分。同时也会根据建筑、地表、设备等进行不同类型划分。而 GIS地图则是 3D 模型的分布底板，所有模型都要跟现实世界进行一一对应才能做到真正

的孪生。

2.集成化

有了模型，下一个重要的步骤是对现有的系统进行统一集成。其中 IoT 包括但不限于摄像头、传感器、定位仪、消防设备、物联设备、传感设备等等，涵盖了所谓的“天眼”和“地眼”。业务系统则包括OA系统、交易系统、账户系统、库存系统等等业务相关的各种系统。除此之外，还会涉及到一些三方系统，诸如其他部门或者其他单位的系统。只有对这些系统的数据做好集成，才能实现更深纬度的数据整合、碰撞等，产生更大的价值。

3. 数字化

如果把模型和系统理解为数字孪生世界的骨骼和肌肉，那么数字化就是数字孪生世界里流淌的血液。我们要做的不单单是要保证血液能够毫无障碍地流遍全身，还要对血液建立更为全面的指标体系。只有有了指标体系，才能对数字孪生世界的健康状况了如指掌。

4.系统化

有了身躯，下一步要做的就是塑造各项功能，所以在系统化里面我们需要重点对原有系统进行重塑，对所需功能进行再造。比如在某些项目中，我们会新建协同平台，用于解决现实世界跟孪生世界里的数据协同和任务协同，有了协同平台，我们不但能够对人员位置和正在做的任务进行可视化呈现，更能够对人员和任务进行指挥干预。这种虚实结合的解决方案会极大地提升人员协作效率。除此之外，我们能联想到的还有虚拟交易系统、模拟演练系统、数字沙盘等。

5.智能化

在数字孪生世界里，很多智能化的场景都可以被更好的落地。在空间分析中，我们可以实现人员轨迹溯源、路线优化、路线推演、空间测量等功能。这些新功能在行业里又会产生非常大的价值。比如人员轨迹溯源功能可应用于公安行业，路线优化可应用于交通行业，空间测量可应用于测绘行业等等。智能分析场景里可以发挥的空间也非常大，在智能分析里，算法的应用随处可见。比如图像对比分析，压力评估等。

在 V 模型中，前半部分更多涉及虚拟世界模型的呈现，也可以称之为实景三维可视化，也是之前很多“数字孪生”项目中存在的一些片面解读，将数字孪生等同于实体的 1:1 三维建模。而要想真正实现虚拟联动的数字孪生世界，更需要的是需要后半部分的数字化、系统化和智能化的建设。

构建数字孪生世界，不是简单的在三维模型层面去“克隆地球”，更是需要更进一步实现“数字化智能化地球”。

数字孪生城市5层工程技术体系

数字孪生城市的实现依赖于诸多先进技术的发展和应用，其工程技术体系整体上可以分为五层： 

1.地理信息要素层

包括空间数据（与空间要素几何特性有关）和属性数据（提供空间要素的信息），为数字化模型的表达提供空间分析支撑。地理信息数据主要包括地理方面的地形层、道路层、植被层、水域层等。与地理数据一起形成全空间一体化且相互关联的城市地理信息数据底板。

2.实时感知控制层

主要由智能传感器数据采集、高速数据传送和全生命周期数据管理等。智能感知数据反映设备即时运行动态情况。数据是整个数字孪生技术体系的基础。先进传感器技术及分布式传感器技术使整个数字孪生技术体系能够获得更加准确、充分的实时数据源支撑。同时，植入到物理世界中的诸多传感器也是实现实时反向控制的关键点。5G 技术的发展，使得高性能传感器可以获得高速低延时的双向数据传输能力，提高了数字孪生系统的实时感知控制的能力。 

3.数据智能层

主要基于一体化智能化公共数据平台和云计算基础设施，对跨行业、跨领域、全要素、全流程、全业务的全域多元实时数据进行融合计算，充分利用机器学习和人工智能领域的技术实现数据深度特征提取和建模，挖掘和学习其中蕴含的相关关系、逻辑关系和主要特征，实现对物理世界的仿真、预测和智能干预能力。

4.全真模型层

主要实现城市物理实体的全要素数字化表达，实现由粗到细、从宏观到微观、从室外到室内不同粒度、不同精度的孪生数字化还原，多维多时空多尺度模型，具有高保真、高可靠、高精度的特征，实现数字空间与物理空间一一映射。数字孪生全真模型是城市统一的“展示窗口”和“决策中心”。 

5.可视化交互层

主要是为使用者提供良好的人机交互使用环境，让使用者能够获得身临其境的技术体验，从而迅速了解和掌握复杂系统的特性和功能。结合数据智能和数字孪生城市全真模型，集中可视化呈现全域智能终端信息、城市运行实时状态和数据智能预测结果，并且可以远程控制城市各个场景的运行状态。

智慧建造中的数字孪生

随着信息技术的飞速发展，建筑行业逐渐从传统的人工施工向数字化和自动化方向转变，数字孪生成为数字化建筑的关键概念之一。数字孪生可以建立全面的建筑物虚拟模型，对该建筑物的实体进行数字化建模，尤其是它对建筑全生命周期的关注，使得建筑物从设计、施工和运营到维护都能得到优化。

智慧建造数字孪生的实现路径

一、规划阶段

在建筑项目的规划阶段，数字化建模可以为开发商和设计团队提供决策支持，如通过可视化技术提高项目方案的决策效率和质量，同时整合前期工作的建筑基础、规划环评、地形地貌等数据，为设计提供必要的计算支持，为后期维护管理提供依据。

需要特别关注以下问题：

1. 

建筑物功能、设计目标、规划指标、资源利用等方面的信息，需要尽可能完善地融入建筑数字孪生模型中。

2. 

3. 

建筑数字孪生模型建设，应考虑信息共享和数据兼容性等方面，建模建设应确定标准规范，以确保涉及的各方（如设计师、施工队、运维人员）间交流顺畅。

4. 

5. 

建筑数字孪生模型的建设，应按照书面设计规划文件、图纸、计算书等完整记录，对建筑物进行都纳入其中，形成全面的建筑物历史记录，确保数字孪生模型的准确性、完整性和实时性。

6. 

二、设计阶段

在设计阶段，建筑数字孪生模型的应用可以减少设计漏洞和错误，提高设计效率和准确性。同时，数字孪生模型可以更好的支持各种设计视角，加强沟通协作，并支持在线迭代设计，快速响应不同方案变更请求。

需要特别关注以下问题：

1. 

建筑数字孪生模型需要被广泛运用，将模型用于设计、评估、模拟等对数字孪生体系的各个环节。

2. 

3. 

建筑数字孪生模型应满足多功能性 ，支持工程动态的反馈和重构，方便实际场景中的模拟和重构。

4. 

5. 

建筑数字孪生模型应满足多维度设计，包括建筑物三维设计、施工工法仿真、物流动态仿真等。

6. 

三、施工阶段

在施工阶段，数字孪生模型可以支持精细化管理，提高施工质量和施工效率，并及时预警和发现施工现场的安全隐患，还可以通过可视化技术及时了解施工现场的情况和监督施工过程。

需要特别关注以下问题：

1. 

将数字孪生模型作为施工指导图表，使工程成本低，质量高。

2. 

3. 

在流程管理方面，数字孪生模型应实现与建筑施工共同路径的动态显示和与所有工人和机器之间的实时交互，提高施工效率和质量，并对重要工程节点实现在物理场景的自定义观测。

4. 

5. 

在关键施工过程中采用智能监控，通过传感器、视频等手段对施工现场进行实时监控。

6. 

施工阶段——机电工程调试

当建筑物的机电工程（如消防、电梯、空调等）在安装施工结束后需要进行调试时，数字孪生技术可以提供可视化的调试平台，在有限的物理设备资源下实现全局的可视、可调的数字设备组合。数字孪生模型可以快速检测并纠正设备配置错误，并能以直观的方式展现当前设备的状态和工作效果。

数字孪生技术在调试阶段的应用，可以显著减少调试时间和成本，提高调试的效率和整体工作质量。同时，数字孪生模型可以在调试过程中不断优化设备的运行状态，提高整体设备运行的效率和可靠性。通过数字孪生技术的应用，建筑行业可以迅速掌握设备运行的情况，发现潜在问题并及时予以处理，以确保建筑的安全和稳定运行。

在调试阶段，需要特别关注以下问题：

1. 

确保数字孪生模型的准确性，要求对实际安装问题及时更新模型信息，确保信息的及时性和准确性。

2. 

3. 

数字孪生模型应支持多种调试方式，例如能够模拟超过单个系统，而是通过模拟整个机电设备组合，支持多种调试方式，例如能够模拟真实空间和环境等的场景。

4. 

5. 

数字孪生模型应支持可视化，及时地显示设备数据和状态，以便快速定位问题和故障。

6. 

四、运维阶段

在运维阶段，数字孪生模型可以提高维护效率和质量，减少人工维护成本，并提高设施的可靠性和安全性。同时，数字孪生模型可以通过实时采集数据，帮助运维人员掌握设施使用情况，在第一时间预警和处理问题。

需要特别关注以下问题：

基于数字孪生模型，建立快速响应的维护和修复机制，实现设施快速调度和问题处理。

数字孪生模型应能够通过智能算法快速定位问题，并能够向维修人员发出通知和指示。

数字孪生模型应支持移动端和云端应用，可以实时查询设备信息，对远程控制设备进行操作。

智慧建造数字孪生的实现路径

1. 数据的质量和准确性

数字孪生体系的实现依赖于实体建筑物的数据采集和处理正确性。如果数据质量不好，将制约数字孪生体系的建设和运营。因此，需要加强对数据的准确性和质量进行监管和控制，提高数据质量。

2. 跨部门的协调与合作

数字孪生涉及到多个部门的合作，因此建立跨部门的协调机制非常关键。不同部门之间必须充分沟通交流，确保相关工作协调一致，促进数字孪生技术的不断完善。

3. 技术和人才储备

数字孪生技术需要涉及到人工智能、虚拟现实、物联网等多种技术，需要具备相应的技术和人才储备。同时，数字孪生技术的不断创新也需要保持领先地位，需要进行科学技术创新并拥有优秀的专业人才。

实现要求

在实现数字孪生体系的过程中，需满足以下要求以实现数字孪生技术在智慧建造的成功应用：

1. 可持续发展

数字孪生体系应以可持续发展为出发点，考虑建筑行业在环保、资源利用和社会责任等方面，进行数字孪生体系建设，从而使建筑行业更加可持续。

2. 安全和可靠性

数字孪生体系应注重数据安全和稳定性，同时建立健全的数据备份和复原机制，以确保数字孪生技术在建筑行业的应用是安全和可靠的。

3. 降低成本

数字孪生技术的应用在建筑行业中，可以降低建设和维护成本，提高建筑物的设计、施工和运营效率。因此，在数字孪生技术的应用过程中，应注重降低成本的问题。

未来发展

数字孪生技术在建筑行业中的应用主要包括仿真、监测、优化和管理等方面。在建筑的设计、施工和运维过程中，数字孪生模型可以进行各种仿真，例如空间分析、力学仿真、热流分析等，以评估建筑物的性能和行为。数字孪生模型还可以收集大量数据，利用数据分析和机器学习等技术进行预测和优化建筑设施的性能。

通过数字孪生技术的应用，建筑行业可以在虚拟环境中对建筑设施进行各种仿真分析，获取可靠的数据和信息，通过分析和优化这些数据来改善设施的性能和效率。同时，数字孪生技术可以在实际运营过程中监测设备的状态和性能，并发现和解决可能存在的问题。

数字孪生技术的应用可以帮助建筑行业提高设计、施工和运维过程中的效率和质量，并减少人力和时间成本。通过数字孪生模拟和优化，建筑行业可以不断改善建筑设施的性能和效率，实现建筑行业的数字化转型和创新发展。

未来，数字孪生技术在建筑行业中的应用将会迎来更广泛和深入的发展。随着技术的不断创新和完善，数字孪生技术将在建筑行业中实现更高效、可持续、安全和可靠的应用，使建筑行业实现数字化和智能化升级。同时，数字孪生技术还将与其他技术，如人工智能、大数据和云计算等结合，形成更加完整的数字化建筑生态系统，进一步推动建筑业现代化和智能化发展。

对于数字化建筑的未来发展，仍有许多待解决的问题。如何提高数字孪生技术的智能化程度，尤其是在信息共享和智能决策方面，如何建立更加强大的数字孪生技术的应用平台，如何降低数字孪生技术的成本等，这些问题都需要共同来解决。

从数字孪生技术的应用场景上来看，数字孪生技术可以在建筑物的设计、施工、运营和维护等方面发挥重要作用。在设计方面，数字孪生技术可帮助建筑师和设计团队优化方案，预测建筑性能和生命周期成本；在施工方面，数字孪生技术可帮助施工方实现协同管理和远程监控；在运营方面，数字孪生技术可帮助运营管理人员实现设备维护和故障预警等功能；在维护方面，数字孪生技术可帮助管理人员进行设备管理和故障排查等工作。数字孪生技术的应用将会进一步促进建筑行业数字化转型和升级，并为建筑行业带来更大的价值。

未来，建筑行业数字孪生技术将满足不断提高的用户需求，实现更高效、可持续、安全和可靠的数字化建筑生态系统，助力建筑行业沿着数字化、智能化的方向不断前行。

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