[论文解读] BIM, Digital Twin and Cyber-Physical Systems: crossing and blurring boundaries

Dean Douglas, Graham Kelly+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2021

Digital Transformation in Industry被引用 5

一句话总结

本文通过系统性综述，厘清了建筑信息模型（BIM）、数字孪生和网络物理系统（CPS）在建筑与土木工程环境中的区别与重叠。研究识别出三者共有的特征与独特属性，提出一个结构化框架，以解决当前概念上的混淆，并支持实践中的一体化应用。

ABSTRACT

Digital Twin in construction and the built environment have started to attract the attention of researchers and practitioners in recent times. Its anticipated value proposition is focussed on its capability of generating new understanding and insights into an asset at all stages of its life cycle, exploiting diverse data sets from a multitude of sources and professions, in real or near real-time. However, there is still a significant debate about the delineation (i.e. communalities and differences) between digital twin and other related concepts, particularly Building Information Modelling (BIM) and Cyber-Physical Systems (CPS). To date, this debate has been confined to social media discussions, insights blogs and position papers. This paper addresses this challenge using a systematic review. The aim is to investigate communalities and differences between the three concepts, Digital Twin, BIM and CPS. The results of this paper are expected to foster the discussion around this theme within construction and the built environment.

研究动机与目标

• 解决建筑领域中BIM、数字孪生与网络物理系统（CPS）概念模糊的问题。
• 通过系统性文献综述，识别BIM、数字孪生与CPS之间的共性与差异。
• 提供对这些概念在土木工程环境中交汇与分化的结构化理解。
• 支持研究人员与从业者在资产全生命周期管理中选择并应用合适的数字技术。

提出的方法

• 使用既定的学术数据库与检索协议，开展系统性文献综述。
• 识别并分析聚焦于建筑与基础设施领域中BIM、数字孪生与CPS的同行评审出版物。
• 应用主题分析法，提取三者在数据流、实时能力与系统集成方面反复出现的主题、定义与功能差异。
• 基于数据流、实时能力与系统集成，使用比较框架映射概念上的重叠与分歧。
• 评估各概念在资产全生命周期各阶段的成熟度与应用范围。
• 采用结构化编码方法，按研究焦点领域、技术组件与集成水平对研究进行分类。

实验结果

研究问题

• RQ1 BIM、数字孪生与网络物理系统在建筑领域中的核心相似点与差异点是什么？
• RQ2 BIM、数字孪生与CPS在数据集成、实时能力与全生命周期应用方面有何不同？
• RQ3 现有对数字孪生的定义与应用，在多大程度上与BIM或CPS重叠或偏离？
• RQ4 当前研究与实践中，哪些概念与技术边界被模糊化或相互交叉？

主要发现

• 研究发现，数字孪生、BIM与CPS在数据集成、基于模型的表达方式与全生命周期支持方面具有基础性共性，但在范围与实时响应能力方面存在差异。
• BIM主要是一种设计与文档工具，其运行时数据交互能力有限，而数字孪生则强调动态、实时的仿真与反馈回路。
• 网络物理系统更侧重于物理系统的控制与自动化，通常涉及嵌入式传感器与执行器，因此在操作意图上与BIM和数字孪生相区别。
• 文献中存在显著的概念重叠与语义混淆，数字孪生常与BIM或CPS互换使用，尽管其功能角色存在明显差异。
• 本文识别出一个集成谱系，从静态信息建模（BIM）到动态仿真（数字孪生）再到实时控制（CPS），表明存在分层化的概念层级。