提高机器人数字孪生在设施管理中的互操作性：一种由行业基础类支持的RoboAvatar方法

《COMPUTERS IN INDUSTRY》：Improving interoperability in robot digital twinning for facility management: An industry foundation class-represented RoboAvatar approach

机器人数字双胞胎与BIM通过IFC实现互操作，提升设施管理效率，实验验证了IFC Represent的RoboAvatar在垃圾分拣等场景中的有效性。

　　随着建筑行业和设施管理（FM）的快速发展，设施管理中的机器人应用正逐渐成为提升效率和自动化水平的重要手段。然而，当前机器人与建筑环境之间的信息交互面临诸多挑战，尤其是在数据格式和系统兼容性方面。本文提出了一种基于行业基础类（Industry Foundation Classes, IFC）的机器人数字孪生（Robot Digital Twin, RDT）方法，旨在解决这一问题，并推动FM机器人在主流BIM（Building Information Model）环境中的高效部署。

设施管理本质上是一个多学科交叉的专业领域，其目标是通过整合人员、场所、流程和技术，确保建筑环境的功能性。随着建筑和劳动力的老化，设施管理的复杂性不断增加，传统的依赖人工的方式已经难以满足现代建筑对智能化和自动化的需求。因此，引入机器人技术成为一种必然趋势。目前，全球已有超过390万台机器人在运行，其中相当一部分被应用于设施管理任务，如地面清洁、外墙检查、废弃物分类以及消毒等。尽管如此，这些机器人在实际应用中仍面临诸多挑战，包括安全性、操作稳定性以及任务规划的复杂性。例如，机器人可能在执行任务时出现故障，需要人工干预；或者在远程控制时，操作人员缺乏对环境的充分了解，影响任务执行的效率和准确性。

为了应对这些挑战，数字孪生技术被广泛研究和应用。数字孪生是一种对物理实体的持续更新的数字表示，它不仅能够实时反映物理实体的状态，还能够通过数据反馈和模拟预测其行为。在设施管理领域，数字孪生技术的应用为机器人提供了虚拟模型，使得远程监控、干预和任务规划成为可能。此外，数字孪生还可以通过集成力学和物理模型，支持任务模拟和虚拟原型设计，从而优化机器人在复杂环境中的表现。然而，当前的数字孪生系统主要依赖于统一机器人描述格式（Unified Robot Description Format, URDF）来描述机器人，这种格式与BIM之间存在显著的兼容性问题，导致信息交换受限，影响了数字孪生技术在设施管理中的广泛应用。

行业基础类（IFC）作为建筑、工程、施工和运营（AECO）领域广泛使用的标准数据格式，为解决这一问题提供了新的思路。IFC是一种标准化的描述方式，能够全面涵盖建筑设施的几何信息、空间布局、语义信息以及材料属性。这种格式不仅支持跨学科的数据交换，还能够贯穿整个项目生命周期，为设施管理提供了丰富的数据基础。因此，将机器人描述转换为IFC格式，使机器人能够以IFC标准的形式融入BIM环境，成为提升数字孪生系统在设施管理中应用的关键。

本文提出了一种基于IFC的机器人数字孪生方法，通过将现有的数字机器人模型转换为IFC描述的“RoboAvatar”，实现了机器人与BIM之间的无缝对接。这种方法不仅保留了机器人原有的物理特性，还能够充分利用BIM中包含的语义信息，为设施管理任务提供更精准的数据支持。例如，在废弃物分类任务中，机器人可以通过BIM获取建筑物的结构信息和功能区域划分，从而更高效地识别和处理废弃物。此外，通过建立双向通信机制，机器人能够实时获取环境信息，同时将自身的状态反馈至BIM系统，实现对机器人运行情况的全面监控和远程控制。

为了验证该方法的有效性，本文设计了一系列实验，其中包括一个室内废弃物收集机器人。实验结果显示，基于IFC的机器人数字孪生系统能够实现机器人与建筑环境之间的高效信息交换，支持高精度的运动模拟和远程控制。这种系统不仅能够提升设施管理的自动化水平，还能够为机器人提供更安全、更可靠的操作环境。此外，该方法还为AECO专业人士提供了一个更加自然和直观的工具，使他们能够在熟悉的BIM环境中操作和管理机器人，降低了学习成本和技术门槛。

本文的研究成果具有重要的实际意义和理论价值。首先，它为设施管理领域的机器人应用提供了一种新的解决方案，解决了传统方法中信息丢失和系统兼容性不足的问题。其次，它开发了一套验证和可部署的流程，使机器人数字孪生的创建和应用更加系统化和标准化。第三，通过实验和实际案例的验证，展示了基于IFC的机器人数字孪生技术在提升设施管理效率方面的潜力。例如，在远程操作废弃物收集机器人时，该系统能够提供实时的环境信息，使操作人员能够更准确地判断机器人的位置和任务执行情况，从而提高工作效率和安全性。

在实际应用中，机器人数字孪生技术能够为设施管理带来诸多优势。首先，它能够实现对机器人运行状态的实时监控，帮助管理人员及时发现和处理问题，提高系统的可靠性和安全性。其次，它能够支持远程控制，使操作人员能够在远离现场的情况下完成复杂的任务，减少人力成本和操作风险。此外，机器人数字孪生还可以用于任务模拟和虚拟原型设计，为新任务的规划和执行提供数据支持，提高决策的科学性和准确性。

然而，要实现机器人数字孪生在设施管理中的广泛应用，仍需克服一些关键挑战。首先，需要进一步完善IFC标准，使其能够更全面地描述机器人及其操作环境，包括机器人运动学、动力学以及任务执行能力等。其次，需要开发更加高效的转换工具和算法，以减少在机器人模型与IFC格式转换过程中可能产生的信息丢失。此外，还需要加强AECO专业人士对机器人数字孪生技术的培训和教育，使其能够熟练掌握和应用这一新技术。

本文的研究为设施管理领域的机器人技术提供了一个全新的发展方向，同时也为数字孪生技术在建筑行业的应用提供了新的思路。通过将机器人与BIM环境深度融合，该方法不仅能够提升设施管理的智能化水平，还能够为建筑行业的数字化转型提供有力支持。未来，随着IFC标准的不断完善和机器人技术的持续进步，机器人数字孪生技术将在设施管理中发挥更加重要的作用，推动建筑行业向更加高效、安全和可持续的方向发展。