MR透視機電系統、AI開啟數據潛能： 數字孿生提升建築能源效率及維修保養決策
當我們談及綠色建築的設計和建造時，不免會提及到建築資訊模型（BIM）這種新興建築概念。然而，綠色建築講求具持續性的管理手法和能源利用，當中有一種技術坊間較少提及卻與BIM相輔相成的，就是數字孿生技術（Digital Twin）。
什麼是數字孿生技術？
肖教授（中）和她研究團隊的兩位博士生成員陳喆（右）和馬天佑（左）。
數字孿生是指為現實中存在的物體複製並構建一個極為精細且相似度極高的虛擬模型，並為當中每一個對應物體建立一個數字身份，兩者就像「雙胞胎」（Twins）一樣分別存在於現實和虛擬空間之中。數字孿生的主要功能是透過收集現實世界裡的實時數據，以進行機器學習和分析，並模擬及預測物體於現實世界中可能產生的反應和狀況，用以研究當中的效能。當中牽涉的包括用以收集數據的物聯網技術、多源異構數據融合，甚至無人管理概念等。
數字孿生技術最早應用於太空領域，但隨著人工智能（AI）及虛擬實境/增強現實/混合現實（Virtual Reality/Augmented Reality/Mixed Reality, VR/AR/MR）等技術日漸成熟及普及，數字孿生日趨成為了管理綠色建築及其能源系統的重要技術。
對此，香港理工大學（理大）建設及環境學院副院長肖賦教授率領團隊開發了一套數字孿生系統，並應用於理大校園的中央冷氣系統的節能優化和維修保養，通過收集實時運行數據，並採用AI技術分析數據，結合物理和工程知識，提供能夠提升能源效率的優化運行策略和預測性維護方案。這套數字孿生系統整合了MR、BIM、建築自動控制系統（BAS）、物聯網（IoT）以及多源異構數據融合，開發了Windows以及Hololens 2兩種版本。
肖教授團隊開發測試智慧建築管理數字孿生平台。
數字孿生的技術及應用價值
「穿戴混合現實眼鏡之後，埋藏在牆身內或天花上的冷氣系統都變得肉眼可見。借助開發的室內導航技術，設備維修保養人員可以輕鬆從大樓內的任何一處找到前往出現問題設備的路線圖。到達後，他們可以在現場同時看到實際環境，並透過虛擬介面瞭解到肉眼看不到的設備運行參數以及基於人工智能的數據分析結果，從而更容易做出即時決策。」這套智慧便利的系統甚至能讓沒有人工智能技術背景的維修保養人員都能靈活使用。
要準確掌握每項設備的實時運作情況，將來自大量的傳感器的實時運行數據準確導入虛擬模型十分重要，當中的數字物體需要與現實世界裡的對應設備在空間位置和運行時間上完全吻合。肖教授團隊開發的數字孿生技術完美地解決了這一難題。
設備實時運行數據可視化 （混合現實平台第一人稱視角）。
「我們開發的數字孿生是一套應用於現有建築自動控制系統上的高級別智慧建築能源管理系統。利用有線或無線網路通訊，該系統從建築物的大小機電設備，包括冷氣機房及室內環境中收集並在基於BIM的3D介面可視化實時數據，監控各種設備的運行情況。利用AI技術，特別是圖像識別及融合物理和工程知識的機器學習方法，進行數據分析，推薦系統優化運行的策略和參數，在保證建築使用者舒適度的情況下節約系統能耗。」肖教授續說，「對於冷氣機房，我們開發了基於AI的冷機啓停策略、水溫設定策略、冷機及水泵的預測性維護策略等；對於空間冷卻系統，我們開發了基於AI的室內參數設定值重設策略、冷氣末端預測性維護策略等。這些策略可以幫我們在保證室內熱舒適性及空氣品質的同時，提升建築能源系統的綜合能效，和減少碳排放。」
基於數字孿生的智慧建築管理平台的使用者介面（Windows 版本）。
理大校園冷水機房（1/2/2A/2B期）BIM模型。
設備實時運行數據可視化。
AI推薦的實時冷機節能優化啟停信號。
利用混合現實技術在現場進行維修保養工作。
另外，建築使用者還可以通過掃描二維碼（QR code）提交個人室內熱環境感知和偏好給數字孿生系統，由與物理和工程知識融合的AI演算法推薦室內溫度設定值和新風量的重置，實現人在回路（Human-in-the-loop）控制，提升個人體驗。「出於隱私考慮，現時通過物聯網收集的數據並不包含任何用戶身份資訊，使用二維碼提交意見有助我們提供一個更個人化的室內環境，及令能源更用得其所。」肖教授說。
數字孿生的發展方向
目前，除了理大校園之外，這套數字孿生系統亦已部分地應用於香港某政府合署大樓，以及位於廣東的美的集團總部大樓。肖教授團隊的學生在多項創新創業比賽中取得驕人的成績，並應邀參加了多項展覽。
「2023香港Techathon大賽」亞軍。
「第一屆粵港澳大灣區數據應用創新大賽」一等獎。
「我們已透過不同的應用案例，驗證了技術的可行性，積累了相當的經驗和數據，能夠幫助建築能源系統提升能效，為建築機電系統維修保養帶來便利。借助通訊網路和雲端計算技術，數字孿生系統的服務地點不再受到地域上的限制。我們計劃先在商業和辦公大樓當中推廣應用。」肖教授補充道。
