浅谈工程数字化的思考与展望

当下，公路工程正处于数字革命的开端。这场巨大的变革，将从根本上改变道路的设计、建造、运营和使用方式。创造未来道路，战略意义重大。虽然我们无法预测未来，但新兴数字技术将塑造未来的旅行方式。数字道路将使道路更安全、更环保。面对这一场机遇和变革，本文浅谈一下关于工程数字化的思考和展望。

工程行业数字化加速

世界著名工程软件公司Autodesk，联合德国市场研究数据公司Statista，于2018年发布了一份报告，预测2050年世界人口将达到97亿，其中64亿人口居住在城市，并且每日城市人口将递增20万。

为了适应如此规模的人口增长，2020年至2050年所需的建筑速度为每天1.3万座建筑物。其中，不管是从绝对建造总数，还是每十年的建造数来看，中国都远超其他国家和地区，与第2、第3的欧洲和美国相比，中国约为它们的3倍。

全球各地区城市平均每日建造建筑物数量

除了应对人口增加带来的城市化压力外，工程行业还面临很多其他的挑战。

1.资源消耗和环境破坏

建筑物约占全球碳足迹的40％，城市人口消耗着全球约25％的淡水，整个建筑施工过程制造了全球30%的废物和垃圾。

2.道路交通碳排放量高

交通运输业中的碳排放量约占全国总排放量的9%，特别是公路运输占全国交通运输碳排放总量87%。预计在2040年，道路交通行业的碳排放将达到峰值，并将维持在高位。同样，英国交通行业是碳排放量最高的行业，有大约40万公里的高速路和A级公路，碳排放占全英交通运输碳排放总量的70%。

3.劳动生产率低于全球平均值

工程行业是全球最大的生态体系，占全球GDP的13%。然而，在过去的几十年里，全球建筑行业的劳动生产率一直不高。基于麦肯锡全球研究所的报告，建筑行业的劳动生产率低于全球经济劳动生产率的年增长率，也远低于其他行业，比如制造业。

4.数字化程度低于其他行业

尽管最近20年,科技领域的创新技术日新月异，但横向对比其他行业，建筑行业的信息化数字化程度低。工程行业的数字化程度处于垫底水平，仅略高于农业和狩猎。当然，另一方面也说明，建筑行业的信息化从业者，大有可为。

面对人口压力、城市化进程、资源消耗、碳排放、建筑行业生产率、数字化程度低等问题，工程行业谈数字化转型还要经历一段很长的时间。这是因为，今天的工程生态系统是一个高度复杂、分散、业务碎片化，并且面向过程在做开发。

总的来说，建筑过程高度基于项目，根据业主需求去开发，重复程度有限。整个价值链中的参与方大多是线下作业，并且可以看到，横向纵向业务高度分散，导致每个步骤的参与者众多，缺乏流程优化。施工过程多在恶劣环境中现场进行，并且大部分劳动力是临时的和手动的，这也是导致成本高企的重要原因。

目前的生态系统中，缺乏一种端到端的数字工具和流程。未来的工程生态系统将会更加标准化，更集成化。建设过程将慢慢从面向项目过程，转向产品和异地制造。价值链的横纵向业务将会进行整合，更加集成统一，更加流程化、智能化，国际协同合作也会增加。施工方会逐渐从现场建造变为现场组装，从而大幅提高劳动生产率，缩减时间成本。基于客户在整个价值链中产生的行为数据，可通过分析优化整体成本和设计生产工作。

此外，新冠疫情的出现，对全球工程行业造成了重大而深远的影响，或将加速工程行业的转型和重组。

标准建设是应用落地基础

数字孪生——国家科技战略

目前，在疫情肆虐全球的背景下，国内开始自上而下推进“新基建”和“数字化”的建设。比如交通领域已进入了新基建和数字化叠加的“密集型政策驱动”阶段。一系列相关政策文件的出台，推进了交通运输行业的数字化进程。

2020年4月，国家发改委和中央网信办联合发布《关于推进“上云用数赋智”行动 培育新经济发展实施方案》，将大数据、人工智能、云计算、5G、物联网、区块链和数字孪生，视作数字化转型的“共性技术”和“关键技术”，这昭示着数字孪生技术正式上升为国家科技战略。

“数字孪生”这个概念在学界和业界目前没有公认的统一定义。尽管如此，几乎所有定义都包含了这3个关键部分：①物理部分；②数字部分，即物理部分的数字副本；③物理部分和数字部分，两部分间实时、动态的信息链接。

英国“国家数字孪生计划”

目前，很多国家也在从国家政策顶层设计开始，逐步推行数字基建计划。比如，为了指导建筑和基建行业逐步进行数字化转型，英国政府在剑桥大学设立了英国BIM和数字孪生中心，即英国的国家数字中心Center for Digital Built Britain CDBB。那么它的前身就是英国的国家BIM任务组——UK BIM Task Group。这个组织曾制定了像BIM成熟度这些路线政策。现在CDBB是许多英国政府数字计划的发起组织，包括英国的国家BIM计划UK BIM Program，国家数字孪生计划National Digital Twin Programme，以及部分的全球基础设施计划Global Infrastructure Programme。当然，它也是一个研究机构，吸纳了全球很多数字孪生的研究人员，从各个角度和领域去开发和研究数字孪生。

英国“国家数字孪生”是一个数字生态系统，是一个彼此链接的数字孪生体的集群。英国在下一个十年，将会新增6000亿英镑的基建项目，数字化转型是释放这些基建项目价值的关键。为此，CDBB发布了Gemini 原则，这是指导“国家数字孪生”的实现和支持它的信息管理框架的原则文件。从目的性、可靠性、功能性三个方面，给出了指示。

目的性：国家数字孪生中的每一个部分和框架都必须要有明确的目的，这个其实很重要。因为放在建筑基建背景下来说，数字孪生可以是孪生一个构件、一个设施，也可以是一个产品或者一个过程。针对不同的孪生对象，孪生目标和目的也是不一样的，根据不同的案例和情况，孪生需求、精度、用途是不尽相同的。所以一定要明确每一个数字孪生体的目的。

可靠性：主要是从数据安全可靠的角度去阐述，要求国家数字孪生和框架必须保障自身的安全，并且保障数据的安全、开放，保障数据的质量。

功能性：主要是从孪生体在运作中的角度去阐述，要求国家数字孪生必须在基于标准、协作、互联的环境中，保持高效运作，并且要适应技术、社会、环境等的变化，要与时俱进演化和迭代。

基建数字孪生

落实到具体应用方面，分为两部分来看，一部分是标准，一部分是技术。

其实，很多技术是现成的，但它们需要具体的落地应用场景。国际上，无论是buildingSMART这样的国际标准制定的权威组织，还是CDBB这样的国家数字中心，他们关注的不仅仅是技术实现手段，更重要的是，它们从行业和国家顶层的角度，制定了一系列国际标准和白皮书，用来指导数字孪生的技术实现和落地。

智能应用的基础，是规范和标准，需要标准化作为支撑，然后运用各种数字化、信息化手段，实现智能化的落地应用。国家、政府既需要从上到下关注各个垂直行业的智能应用，从政策、制度、规范标准、法律法规层面，指导和保障整个行业的规范发展。

行业标准规范本土化落地

工程数字化必须要有统一规范的标准去指导实践。在信息互联、多方协作的时代，既要符合国际通用的规范，又要因地制宜将国际标准，以及国家标准和行业标准，进行本土化落地。目前，四川公路院牵头编订了一套数字基建的全生命周期地方标准，用于指导地区性的数字基建建设。

数字技术应用现状

基建数字孪生实现

在技术层面, 很多具体的数字孪生案例之间，特征差异都是相对较小的，差别主要是在孪生的“重点”和“目的”上。

在工程基建行业中，可以面向一个“设施或者构件”进行孪生，解决几何和纹理可视化的问题，或者面向一个“系统”，解决行业某一具体场景应用问题。它也可以是一个“产品”，对一类问题有一套商业化解决方案；或者面向一个“过程”，比如全生命周期的管理平台、决策辅助平台。再或者，孪生也可以是它们之间的组合。

数字孪生整体分层架构

中国电子标准化研究院出版了第一本数字孪生应用白皮书，从技术实现角度去定义数字孪生，将数字孪生划分为“基础支撑”“数据互动”“模型构建”“仿真分析”“共性应用”“行业应用”共6大核心模块。

下面这个例子是构件和系统的孪生结合。

欧克特Autodesk联合MX3D打造3D打印的钢铁桥

欧克特Autodesk联合MX3D（荷兰的一家3D打印机器人公司）打造的世界上第一座3D打印钢铁桥。目前，该桥在阿姆斯特丹的一座运河上已投入实际使用。

加速度传感器

该场景被数字化反映在了一个虚拟三维空间中。桥上安置了一些加速度传感器，当行人经过时，数字孪生体可实时反映桥身由于加速度变化产生的物理反馈。如果要了解这座桥其他的指标，可以添加其他的传感器去收集数据。

全生命周期数字孪生

数字孪生强调“全生命周期”的概念。

BIM在过去也有提到“全生命周期”，但BIM和数字孪生的一个区别是：BIM是一个静态的概念，并且它主要集中和围绕着设计生产问题；而数字孪生强调全生命周期，在施工建设，特别是运维期间，可通过传感器数据，实时反映物理资产的动态变化。

全生命周期各阶段的典型应用，包括但不限于设计生产阶段的场地分析、功能分析、空间分析、公用设施分析、信息模型分析，施工建设阶段的施工策划、造价控制、进度管理、施工模拟，运营维护阶段的物业管理、能源监控安全应急、模型维护、模型互联。

1.在设计生产阶段，目前也有一些智能的基于云的工程管理软件，提供项目的通用数据环境CDE。英国已于2016年正式强制要求所有公共民用建筑的BIM技术，必须要符合的BIM成熟度2级水平，其中使用这种通用数据环境CDE是重要指标。不过，目前该软件主要作用是可视化、多方协同，进而对项目进行管理，不支持对模型的编辑和处理，而且支持的文档格式有限，在智能诊断和预测上还没有更多体现。

在本土化设计标准方面，四川公路院的设计方案包括一个功能强大的基于云端的设计生产协同系统CCDS，将设计信息全部数字化、标准化。不仅能保障和辅助精细化建模，还节省了多方协同的时间和成本，同时保证了信息横向、纵向的交付质量。

2.施工建设阶段中，人工智能技术，如机器视觉、图像处理、虚拟现实等手段，也被用于解决一些施工建设阶段的问题，包括进度管理、施工生产率监控、人脸识别等。此外，神经网络深度学习模型可用在对杂乱的施工现场进行识别，激光点云技术可用在过程质量控制和竣工质量验收等方面。虽然现阶段部分应用并没有得到大规模推广，但在不少项目上得到了很好的验证。

3.在运维阶段，为了了解设施结构内部性能的状况和演变，可以运用各种探测仪器，如混凝土雷达探测仪等，通过智能数据采集，对资产运维状态进行可视化呈现。针对路线上产生的病害进行日常巡检，并与BIM模型对应构件进行关联，从而达到构建级别的精细化管理。对于特定公路设施，基于桥检标准，可将病害有效地收集、处理，并且集成到桥梁的几何模型构件上，为后续的智能分析提供高质量的数据支持。

赛道已开 未来已来

随着各项规范和数字技术的逐步完善和进步，交通工程、公路工程的智慧化、智能化已成为必然趋势。数字交通、智慧交通、新基建的建设都是紧密结合不可分割的。

各项政策利好也在不断发布。2020年交通运输部印发的《关于推动交通运输领域新基建指导意见》提出了打造融合高效的智慧交通基础设施的要求，涵盖了几乎所有基建领域，包括公路、铁路、航道、新能源等。2021年9月交通运输部发布了5年行动方案。该方案对智慧公路、智慧航道、智慧港口等建设行动进行了部署。同时，智慧交通的建设也离不开相关关键技术的支撑，比如①BIM技术，作为交通运输重大技术方向和技术政策之首，也是基建数字孪生的基础和前身；②测绘技术、高精度地图；③工业物联网、传感器技术、基础设施智能监测传感网；④自动驾驶、车路协同，以及相关联的北斗高精度定位导航系统。

目前，在智慧公路的建设上，不论国内还是国外，不管是业界还是学术界，都处于探索阶段，没有人完全知道该如何去实现或者创造更多价值。

以英国为例，英格兰高速系统也在探索智慧公路的建设。主要包括以下几个方面：数字化设计——以实现更安全、高效、环保的设计成果；模块化和标准化方法——异地制造和模块化结构的使用，提高了安全性，减少了碳排放；自动化施工——数字化排练，以及互联和自主工厂的使用，提高效率并增强安全性；智能资产管理——利用数据实现预测性资产管理；增强的运营能力——通过使用数据和传感器技术，实现了更大的自动化和网络适应性；数字化工人——数字化工人可以访问准确、最新和一致的信息，使他们能够更高效、更安全地完成工作；精准实时信息——用户通过他们首选的数字渠道接收准确、一致且接近实时的旅程信息；客户参与和信息反馈——客户获得质量更高的数据，这些数据为决策提供依据；合作伙伴关系和联盟——当地公路部门、运输运营商、车辆制造商和技术提供商合作，以改善客户体验并提供端到端的旅程支持。

未来，英国政府也重点提到了三个未来发展的方向：①以项目设施全周期的安全、用户和环境为优先目的，基建数字孪生；②交通互联服务, 即完成车路协同的愿景；③以交通顺畅、减少交通事故、改善环境为目的的互联自动驾驶、无人驾驶。

此外，针对这项庞大的“数字智慧公路”项目，绝非一家企业或一家公司就能突出重围。它是一个生态系统，需要政府从上至下，以各项政策法规，以及研发资金，作为基础和激励，将业界和学界有机结合，互补互利，齐头并进。

同时，我们也必须看到，在数字化这条赛道上，我国与发达国家几乎站在了同一条起跑线上。作为基建大国，如何在这场变革中突围，如何创造更人性化、更智能的建筑环境，是工程人需要思考的问题，也是义不容辞的责任和担当。