数字孪生技术怎样实现智慧建筑与智慧城市

我们所有人都有过这样的经历：在一个要么过热，要么过冷的建筑里，似乎与一天或一年的时间莫得什么联系。在这种情况下的建筑中，能源和成本的节约潜力是巨大的。减少建筑行业的温室气体(GHG)排放对于应对气候变化十分关键，因为40%的温室气体排放来自建筑物。在这些总排放量中，建筑运营每年占28%，而建筑材料和建设过程（通常称为隐含碳）每年占额外的11%。

减少温室气体排放的一种新兴可能性被称为数字双胞胎。数字孪生，加上无处不在的宽带，为建筑行业提供了降低成本和排放的承诺，同时提高运营效率和透明度。

什么是数字孪生(Digital Twins)？

数字孪生也叫数字双胞胎，数字孪生的概念已有二十年历史。IBM将该技术定义为“跨越其生命周期的对象或系统的虚拟表示，从实时数据更新，并使用模拟、机器学习和推理来帮助决策制定。”数字孪生为城市环境中的创新和可持续性提供了一个令人兴奋的选择，这也是Venture Beat将该技术列为2021年前五名趋势之一的原因。

不过，要全面优化建筑物中的数字孪生，还需要一些关键组件——即大量投资在无处不在的宽带中，让传感器和其他物联网(IoT)设备在建筑物内和周围以无线和安全的方式（即隐私保护）互连，以降低运营成本，同时减少温室气体排放。

这一建成环境互联数字孪生的愿景将需要各级政府以及科技创业行业的私营企业之间强有力的公私协调与协作。以美国为例，政府的HR3684基础设施投资和就业法案(IIJA)提供了潜在的资金来源，其中包括宽带基础设施扩展拨款的具体分配、能源数据收集的资金，也许是数字孪生最独特的、商业建筑能源消耗的信息共享。

有几种有趣的数字孪生技术试点模型，比如美国拉斯维加斯市与两家私营公司Cityzenith（数字孪生软件平台）和Terbine（物联网服务和数字基础设施管理）之间的公私合作伙伴关系。Cityzenith专注于开发城市数字孪生，以帮助建筑脱碳和实施可再生能源系统，以促进减排并提高建筑业主的绩效。

合作包括使用模板输入数据的业主的参与，该软件根据建筑物的年龄、状况和用途等因素创建一个数字孪生。数字孪生模型使用拉斯维加斯现有的物联网传感器和5G网络来收集实时街道数据，这些数据将为有关能源使用、排放、交通、停车、噪音和应急管理的决策提供信息。数字孪生还寻求模拟解决可持续性和流动性的场景，以提高运营效率并在公共福祉、教育、安全和经济发展方面产生积极的社区成果。

拉斯维加斯市当下正在试点项目，以测试该技术的可行性和有效性，假如证明自己有价值和有益，它计划扩大规模。让我们希望这个食谱能复制到其他社区。但值得注意的是拉斯维加斯在宽带/电信基础设施方面的投资，这是该项目的关键促成部分。

又如Metro21，位于匹兹堡的卡内基梅隆大学(CMU)智慧城市研究所支持数字孪生试点项目，包括由Burcu Akinci和Mario Berges教授领导的Hazelwood Green的Mill19能源和基础设施系统监测。该项目通过解决与建筑系统运行相关的问题、提高舒适度、优化能源使用和确定改造机会来关注持续调试过程。目标是通过使用和采用数字孪生，结合电气化，建筑物能降低运营成本，同时减少温室气体排放。

公共和私营部门都需要大量投资才能转向减少建筑物的温室气体排放，这将是建筑物向全电动的转变（这意味着它不仅包括实际建筑物，还包括整个场地，包括分布式能源）。根据CMU建筑学院教授Vivian Loftness的说法，挑战在于减少能源负荷、鼓励节约能源并通过建筑计量跟踪这些数据，因为很难知晓哪个系统正在使用哪种特定能源以及使用了多少特定能源。

一项重大突破是引进了15分钟间隔的能源数据和远程访问楼宇自动化系统的能力。在这种情况下，楼宇自动化数据属于楼宇业主，不对外公开，让楼宇业主能根据绩效指标做出实时调整的决定，其好处是他们的能源成本和温室气体排放量都减少了。Loftness教授表示，她相信宽带为绘制建筑物地图并将其与最佳展示进行比较提供了机会，而数字双胞胎能促进模型建筑物或标准运营和管理协议的创建。

美国有望成为通过应用数字孪生技术减少温室气体排放的领导者，看到案例研究和模型在全国范围内的扩展将令人兴奋。有一长串项目自诩为值得IIJA资助的项目。通过在建筑领域运用数字孪生技术的协作和包容性公私合作伙伴关系，与这些大型资本投资相关的风险和回报将被共享，每个人都会获益，包括地球。