數(shù)字孿生，英文名叫Digital Twin（數(shù)字雙胞胎），簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是在一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造一個(gè)數(shù)字版的“克隆體”。上一期的“前沿分享”，我們整理了之江實(shí)驗(yàn)室高級(jí)研究員華煒在“新基建”空中沙龍慧活動(dòng)中的分享內(nèi)容，對(duì)數(shù)字孿生的概念、起源和價(jià)值作了科普解讀。本期的“前沿分享”，將為大家重點(diǎn)介紹數(shù)字孿生的技術(shù)框架以及在智慧交通領(lǐng)域的應(yīng)用。
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數(shù)字孿生技術(shù)框架
數(shù)字孿生技術(shù)框架可分為三個(gè)層次，即數(shù)據(jù)接入層、計(jì)算仿真層和應(yīng)用層。
第一個(gè)層次是數(shù)據(jù)接入層，主要指通過(guò)靜態(tài)建模和動(dòng)態(tài)感知來(lái)獲取數(shù)據(jù)，構(gòu)建一個(gè)基本的客觀世界的鏡像模型。感知分為兩大類：第一類是靜態(tài)感知，常用的是CAD/CAE/BIM/CIM技術(shù)，如對(duì)城市環(huán)境的靜態(tài)部分進(jìn)行建模；第二類是動(dòng)態(tài)感知，這是比較關(guān)鍵的一點(diǎn)。動(dòng)態(tài)感知的發(fā)展，實(shí)際得益于物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，諸如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、5G甚至未來(lái)6G技術(shù)的不斷發(fā)展。在這些技術(shù)的支撐下，可以更全面、及時(shí)地實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀環(huán)境的狀態(tài)感知。
第二層是計(jì)算仿真層，主要包含挖掘分析和仿真預(yù)測(cè)兩方面，是為數(shù)字孿生上層應(yīng)用提供技術(shù)支撐的關(guān)鍵層次。一方面，要對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)感知所獲取數(shù)據(jù)的初級(jí)模型進(jìn)行深入挖掘，建立更高層的知識(shí)模型，即發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律、分布和關(guān)聯(lián)，獲取出更高層語(yǔ)義的知識(shí)。另一方面，利用這些知識(shí)去做仿真演算，從而能夠?yàn)樯蠈討?yīng)用實(shí)現(xiàn)——通過(guò)現(xiàn)實(shí)的把握來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)。
第三層是應(yīng)用層，數(shù)字孿生的核心應(yīng)用是決策和控制。在現(xiàn)實(shí)中，一系列改造現(xiàn)實(shí)世界的步驟可以認(rèn)為是一種執(zhí)行策略，或是看成一種決策。通過(guò)應(yīng)用數(shù)字孿生系統(tǒng)，可以在多個(gè)平行世界中通過(guò)推演來(lái)驗(yàn)證我們的策略和決策是否合理，再進(jìn)一步利用各類智能優(yōu)化技術(shù)，不斷迭代改進(jìn)策略和決策，最后再通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)施策略和決策，影響改變現(xiàn)實(shí)世界的Physical Twin（物理雙胞胎），從而構(gòu)成“感覺(jué)-決策-控制-感知”——物理與數(shù)字的孿生世界之間信息流動(dòng)閉環(huán)。
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數(shù)字孿生技術(shù)
模擬出智慧交通最優(yōu)解
數(shù)字孿生將如何賦能智慧交通？華煒老師結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景闡釋了數(shù)字孿生技術(shù)在提升無(wú)人駕駛訓(xùn)練效率、助力交通事故分析和交通管控等方面的應(yīng)用價(jià)值。
01
提升無(wú)人駕駛訓(xùn)練效率
目前，之江實(shí)驗(yàn)室融合智能研究中心正在開(kāi)展智能無(wú)人駕駛虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)研究，為無(wú)人車駕駛算法的道路駕駛安全性和智能駕駛能力提供開(kāi)放型的虛擬測(cè)試與訓(xùn)練平臺(tái)。該項(xiàng)目的目標(biāo)是把現(xiàn)實(shí)交通場(chǎng)景在數(shù)字空間中復(fù)現(xiàn)，通過(guò)泛化衍生技術(shù)為無(wú)人車營(yíng)造一些極端環(huán)境和臨界的高危場(chǎng)景，大幅提升無(wú)人駕駛訓(xùn)練的效率。
基于對(duì)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的感知，我們可以構(gòu)建數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)基于孿生數(shù)據(jù)的情景再現(xiàn)，幫助無(wú)人車進(jìn)行虛擬測(cè)試和訓(xùn)練。但僅對(duì)場(chǎng)景高逼真的數(shù)字孿生是不夠的，更重要的是對(duì)孿生場(chǎng)景進(jìn)行衍生和泛化，不斷豐富無(wú)人車的測(cè)試場(chǎng)景。衍生泛化是數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)鍵，既要來(lái)源于現(xiàn)實(shí)，也要高于現(xiàn)實(shí)，對(duì)現(xiàn)實(shí)情況做出一些變化。之江實(shí)驗(yàn)室在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中也基于孿生場(chǎng)景進(jìn)行了各種案例的泛化仿真，比如增加天氣變化、人類駕駛行為和情景案例的泛化。舉個(gè)情景案例泛化的例子，我們對(duì)大卡車軋人的事故場(chǎng)景進(jìn)行仿真，但做好模型之后就是一個(gè)固定的場(chǎng)景，即車輛在固定時(shí)間到達(dá)固定位置。這時(shí)候就需要做一些智能化的處理，比如提高車速，或者增加交通參與者等等，使得情景案例與真實(shí)場(chǎng)景較為相似又有所不同。
02
交通事故分析
同樣以卡車交通事故為例。一旦跟蹤并恢復(fù)事故場(chǎng)景環(huán)境以及交通參與者的軌跡后，就可以從多個(gè)視角去觀察事故發(fā)生的過(guò)程。通過(guò)定格處理，可以從車內(nèi)視角發(fā)現(xiàn)，卡車司機(jī)實(shí)際完全看不到有人騎著自行車經(jīng)過(guò)。因此，數(shù)字孿生技術(shù)在交通事故分析場(chǎng)景下有很大的應(yīng)用價(jià)值，能夠幫助追溯、分析事故發(fā)生的具體原因，找到責(zé)任人。
03
交通管控
運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，模擬出城市交通的狀況，再通過(guò)評(píng)估推演來(lái)優(yōu)化交通管控的策略，這是數(shù)字孿生賦能智慧交通的重要應(yīng)用場(chǎng)景。其主要涉及四個(gè)層面的功能：
一是監(jiān)控和發(fā)現(xiàn)。通過(guò)數(shù)字孿生系統(tǒng)，可以構(gòu)建一個(gè)信息獲取及控制的閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)全程掌控。更重要的是，在一個(gè)非常龐大復(fù)雜的場(chǎng)景中，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)一些關(guān)鍵問(wèn)題并及時(shí)做出處理。比如，進(jìn)入秋冬季節(jié)，安徽高速部分路段團(tuán)霧天氣多發(fā)，團(tuán)霧具有能見(jiàn)度低、突發(fā)性強(qiáng)、氣象預(yù)報(bào)困難的特點(diǎn)，易引發(fā)交通事故。利用數(shù)字孿生技術(shù)，可以通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)團(tuán)霧形成并提供警示。
二是推演和預(yù)測(cè)。在掌握數(shù)據(jù)后，可以對(duì)一些參與者構(gòu)建微觀行為模型，再通過(guò)對(duì)大量交通參與者Agent進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得宏觀的模擬結(jié)果，推演事態(tài)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)功能。
三是評(píng)估和優(yōu)化對(duì)策。通過(guò)大規(guī)模并行計(jì)算，可以同時(shí)評(píng)估多個(gè)平行世界的仿真結(jié)果。再通過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)等技術(shù)，不斷改進(jìn)交通管控方案。
四是歷史追溯和復(fù)盤(pán)研究。當(dāng)一個(gè)事件發(fā)生了之后，我們可以利用數(shù)字孿生系統(tǒng)去還原這件交通事故發(fā)生的全過(guò)程，探究當(dāng)時(shí)的每一步應(yīng)對(duì)是否做得足夠好，是否具備改進(jìn)空間。這是數(shù)字孿生技術(shù)的一個(gè)特殊能力。
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數(shù)字孿生技術(shù)展望
首先，隨著5G、6G甚至更高級(jí)的通信技術(shù)的發(fā)展，加上端-邊-云的協(xié)同計(jì)算，可以提高數(shù)字孿生的實(shí)時(shí)性，甚至能夠不依賴高精地圖，實(shí)時(shí)地對(duì)未知領(lǐng)域進(jìn)行建模。其次，通過(guò)改進(jìn)行為仿真和預(yù)測(cè)算法，可以讓行為預(yù)測(cè)的推演更加精確，算力更強(qiáng)的話，甚至可以一次性地推演更多的平行世界。再者，隨著V2X技術(shù)的發(fā)展，交通參與者的類型會(huì)更多，場(chǎng)景也會(huì)更復(fù)雜，如何能將仿真做得更好，也是非常值得研究的方向。最后，在實(shí)時(shí)決策、遠(yuǎn)程操控個(gè)體方面，對(duì)整個(gè)孿生系統(tǒng)的要求會(huì)更高。比如數(shù)據(jù)能否實(shí)時(shí)、安全地傳輸?shù)皆贫撕秃蠖?，通過(guò)態(tài)勢(shì)感知，把操控命令再傳回到物理世界，這一過(guò)程要做得足夠快，而且更需要數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程安全可靠。融入?yún)^(qū)塊鏈等相關(guān)技術(shù)，是使得這一信息閉環(huán)過(guò)程實(shí)現(xiàn)安全可靠的一種可探索的解決方案。
