数字孪生赋能数字化转型升级

文/吴泳江

◎基础设施数字化光辉大奖赛

2021年岁未，Bentley公司每年一度的基础设施数字化光辉大奖赛如约而至。这项赛事旨在表彰过去一年中Bentley 软件用户在推进全球基础设施的设计、施工和运营方面做出的突出贡献。共有来自45个国家和地区的230多个组织提交了近 300 个参赛项目，中国区67个项目参赛中15项入围决赛，最终10个项目获奖，其中包括6个光辉大奖和4个创始人荣誉奖，范围涵盖交通、数字工厂、智慧城市、电力及新能源、数字化施工等多个领域，展现了中国基础设施行业在数字化领域所取得的卓越成就。

近年来，我国基础设施建设取得了令人瞩目的成绩，其中数字化能力的提升是关键因素之一。为此，我们专门对Bentley公司专家和部分获奖企业代表进行了采访，就基础设施数字化光辉大奖、数字化转型以及数字孪生技术发展等热点问题进行了交流。

数字化的成功探索

近年来，数字化转型是基础设施建设行业关注的重点问题。Bentley一直全力推进基础设施建设数字化转型升级，此次数字化光辉大赛获奖项目之一，世界上首套最小装机亚临界煤气发电工程——江苏龙腾特钢60MW发电工程的数字化可以说是一个成功的探索。

该发电工程，采用超高温亚临界一次中间再热机组，开创了高参数、小型化发电机组技术领域先河。利用钢厂富余煤气发电，为早日实现“碳达峰”“碳中和”的目标做贡献。中冶京诚工程技术有限公司在这个项目上通过数字化协同设计、数字化建模构建、数字化交付、数字化施工、数字孪生、数字化运维取得了卓越成效。他们以数字化工厂和大数据为核心，融合工业互联网技术、大数据人工智能技术、数字孪生技术，搭建钢铁智慧生产运营管理体系。

主要数字化技术应用包括：

1）数字化协同设计。应用ProjectWise作为协同设计平台，对设计过程与设计成果进行管理，各专业基于平台进行协同设计，极大减少了设计中的错漏碰撞，提高了设计的准确性。

2） 数字化模型构建。设计模型结合倾斜摄影建模的方式，完成全场的数字化模型构建。

3）数字化交付。基于AssetWise开发工程数据中心，建立以“工厂对象为核心”的网状关系数据库，全生命期的数字化交付，成为构建数字化工厂的基础。

4）数字化施工。基于SYNCHRO4D施工模拟，制定了合理的施工计划，有序安排施工顺序，极大减少了返工。

5）数字孪生。以生产流程、设备和工艺的数字化模型为基础，采集现场控制器、设备等数据信息，利用现场的工艺设备信号对数字化模型的动作进行驱动，完成数字化模型与实体工厂的实时同步。

6）数字化运维。基于数字化工厂管控平台，实现生产、能源、设备和物流的集中管控，智能调度管理，将生产系统记录数据，导入到虚拟的数字化工厂中，进行生产过程复现，提出工艺参数改进，再进行生产过程推演，通过反馈分析和仿真模拟的不断循环，以量变促质变，达到产线性能的升级革新。

中冶京诚数字化BIM中心主任张鹤说，这个项目走到了数字化交付，这是中冶京诚数字化的升级模式。2019 年之前，中冶京诚更多的是应用BIM技术来解决设计协同以及施工难点的问题。随着国家推进智能制造并明确把数字化交付作为智能制造基础的支撑，中冶京诚开始从设计驱动走向数字化设计和数字化交付双轮驱动。

张鹤介绍说，中冶京诚在2020年采购了Bentley的iTwin数字孪生服务平台，为业主提供数字化工厂服务。就拿龙腾特钢这个项目来讲，项目体量不是特别大，总投资3个亿左右，但是适用性很广，复制性比较强，在双碳的大背景下节能减排意义重大，因为针对小体量的高炉煤气发电的整体效率提高了，整个产生的效益也相应提高了。我们以BIM和数字化技术来赋能这样的项目，实现数字化交付和数据服务，提升了效益，实现了多赢。

晋南钢铁二期曲沃基地产能减量置换项目转炉连铸项目是晋南钢铁集团重要的产能优化布局，项目总投资额7亿元，计划利用先进的余热回收技术，高效回收高温烟气余热，年供应蒸汽26万吨，折算成标准煤量，年可节约标准煤量为3.5万吨。

业主的产能优化，也意味着作为设计施工总承包单位的中冶南方工程技术有限公司要想方设法进行设计与施工的优化，为此制定了相应的数字化技术路线：协同设计，施工模拟，数字交付，走向数字孪生。

三维协同设计的效益很明细，例如利用三维模型进行仿真，对转炉大包的支座、转炉的支座进行应力和运动仿真，同时对中间包的温度场进行仿真，优化设计，减少了转炉出钢时间，降低了出钢的温度，提高了钢产量2 000余吨，减少了能源消耗，每吨刚减少了碳排放0.1吨。在设计与施工协同方面也取得了突破，例如，将部分建筑修改为装配式构件，利用三维模型进行合理分块并进行预拼装，在工厂预制，节约了工期30余天，节约了大量的资源，减少了环境污染。可视化交底及4D施工模拟，优化施工方案和方法，缩减了施工周期，保障了全程无伤亡等安全事故发生。

中冶南方BIM中心副主任褚学征谈到，项目刚刚启动，不确定性风险出现了，武汉爆发了疫情，协同设计给我们帮了大忙，最大限度保证了整个项目的顺利实施。项目整体达到了建设技术先进、绿色环保智能钢铁厂的目标，受到了甲方的好评。我们公司也成为武汉市复工复产先进典型。中冶南方将在数字化道路上继续前行，在“十四五”期间要涵盖工程全生命周期服务。

对于中国用户在数字化进程中所取得的进步，Bentley公司全球高级副总裁、北亚区总裁刘德盛表示：“数字化转型不但在项目的设计、施工、运维阶段发挥了提质增效的作用，也为商业模式创新提供了可行的解决办法。我们很开心看到数字化转型特别是数字孪生技术在中国落地生根、快速发展，我们正在工程项目的全生命周期服务这个链条上不断发力，助力推进各行各业的数字化。”

从CAD、BIM到数字孪生

梳理近两三年数字化光辉大奖赛获奖项目，我们能很直观的感受到BIM和数字孪生等技术的应用越来越广泛也越来越深入。数字孪生技术不仅改变了传统的基础设施项目设计、施工到后续运营维护全流程的运作模式，在此基础上通过大数据、人工智能等新技术的深入应用，未来还会进一步催生出更加多样化的创新产品、创新服务，乃至与上下游产业结合创造出新型商业模式。

2019年Bentley公司宣布推出新的用于基础设施工程数字孪生的iTwin云服务。公司创始人兼首席技术官Keith Bentley曾表示，“我们正处于‘数字孪生时代’，其发展步伐每天都在加快。使用开放、实时、可靠和永不过时的数字孪生取代有着数十年历史的非联网纸质工作流和工作产品，可提供巨大的优势。通过开源平台将其与创新生态系统相结合，为基础设施带来不可阻挡的变革力量。对基础设施业内人士和Bentley软件公司来说，没有什么比这个这更令人兴奋了。”

两年多的时间，数字孪生技术在基础设施建设行业不断给人们带来惊喜，该技术在获奖项目中所呈现越来越丰富的应用就是最好的证实。从交通运输、供水网络和水处理厂到发电站、钢铁厂和数字城市，几乎所有领域都有数字孪生技术的成功案例。数字孪生技术正在不断帮助用户改进资产、系统和施工流程的操作和维护效率。

这次数字化光辉大赛获奖的中国企业基本都完整的经历了从CAD到BIM再到数字孪生的过程，对于这些技术之间的相互关系，Bentley公司行业高级销售总监杜鹏认为，“ 大多数企业经历过二维到三维的变革，BIM帮我们的用户解决了可视化、设计优化、碰撞检查等一系列问题，同时也极大地提高了工作效率，而从BIM到数字孪生的技术突破可以帮我们更加深入挖掘数据的价值，包括数字孪生在内的各项数字技术，正是对BIM的发展与增强。CAD、BIM和数字孪生之间并不是替代关系，相反从软件平台来看，这三者之间更多的是演进与融合。”

在数字化的过程中，数据的一致性和单一数据的连贯性问题一直都是工程实践中的难题，包括不同系统之间的数据无法完全整合，甚至还会出现数据不一致引起的冲突和矛盾。杜鹏介绍说，“通过Bentley提供的数字化平台技术，包括三维建模平台MicroStation、协同管理平台ProjectWise、资产运维平台AssetWise、数字孪生平台iTwin，可以帮助大家在同一个平台上实现多数据的融合和场景化的应用，让数据价值能够被充分挖掘出来，从而可以实现从设计、施工到运维全生命周期的数据服务。”

写在最后

以数字孪生为核心、智能化基础设施为目的，全面数字化转型能有效提升资产性能、抗变能力，降低成本和风险，从而提升整个社会的生活品质，推动全球经济、环境的可持续发展。同时，我们也应看到数字化交付打通了从设计到后期运维的数据通道，但很多实际项目中采购、施工等数据还没有形成自动的传递和积累的机制，数字孪生、大数据还未充分展现出价值。实现突破唯有加速数字化转型，期待数字化光辉在基础设施建设中更加耀眼。