數(shù)字孿生(Digital Twin)，作為近幾年隨著新基建、數(shù)字化等熱點(diǎn)一并火起來(lái)的詞匯，數(shù)字孿生在國(guó)內(nèi)外政策中出現(xiàn)的頻率不低。
近一年來(lái)，國(guó)家發(fā)改委、科技部、工信部、自然資源部、住建部等部委密集出臺(tái)政策文件，有力推動(dòng)城市信息模型（CIM）及建筑信息模型（BIM）相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)與應(yīng)用快速發(fā)展，助力數(shù)字孿生城市建設(shè)。今年7月，數(shù)字孿生城市更被全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)批準(zhǔn)為大數(shù)據(jù)新詞。
圖片來(lái)源：中國(guó)通信院
國(guó)際上對(duì)數(shù)字孿生也相當(dāng)重視。
英國(guó)：2020年4月，英國(guó)重磅發(fā)布《英國(guó)國(guó)家數(shù)字孿生體原則》，講述構(gòu)建國(guó)家級(jí)數(shù)字孿生體的價(jià)值、標(biāo)準(zhǔn)、原則及路線(xiàn)圖。
美國(guó)：2020年5月，美國(guó)組建數(shù)字孿生聯(lián)盟，聯(lián)盟成員跨多個(gè)行業(yè)進(jìn)行協(xié)作，相互學(xué)習(xí)并開(kāi)發(fā)各類(lèi)應(yīng)用。美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟將數(shù)字孿生作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地的核心和關(guān)鍵，正式發(fā)布《工業(yè)應(yīng)用中的數(shù)字孿生：定義，行業(yè)價(jià)值、設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用案例》白皮書(shū)。
德國(guó)：德國(guó)工業(yè)4.0參考框架將數(shù)字孿生作為重要內(nèi)容。
新加坡：率先搭建了“虛擬新加坡”平臺(tái)，用于城市規(guī)劃、維護(hù)和災(zāi)害預(yù)警項(xiàng)目。
法國(guó)：高規(guī)格推進(jìn)數(shù)字孿生巴黎建設(shè)，打造數(shù)字孿生城市樣板，虛擬教堂模型助力巴黎圣母院“重生”。
本文將圍繞三個(gè)問(wèn)題進(jìn)行闡述：
1、政策反復(fù)提及的數(shù)字孿生到底是什么？
2、數(shù)字孿生涉及到的技術(shù)
3、正在計(jì)劃落地的數(shù)字孿生應(yīng)用有哪些？
01虛實(shí)之間
數(shù)字孿生(Digital Twin)，乍聽(tīng)之下有些賽博朋克的味道。官方解釋如下：
數(shù)字孿生(Digital Twin)是物理空間與虛擬空間之間虛實(shí)交融、智能操控的映射關(guān)系，通過(guò)在實(shí)體世界以及數(shù)字虛擬空間中記錄、仿真、預(yù)測(cè)對(duì)象全生命周期的運(yùn)行軌跡，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)信息資源、物質(zhì)資源的最優(yōu)化配置。
直觀(guān)的理解如下圖所示：
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，數(shù)字孿生就是在一個(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”。這個(gè)“克隆體”，也被稱(chēng)為“數(shù)字孿生體”。它被創(chuàng)建在信息化平臺(tái)上，是虛擬的。
特點(diǎn)如下：
(1)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立的虛擬模型是對(duì)物理對(duì)象的真實(shí)映射，并對(duì)物理對(duì)象的各類(lèi)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)感知并集成融合；
(2)通過(guò)參與物理對(duì)象的全生命周期，不斷積累相關(guān)信息，并與其共同進(jìn)化；
(3)虛擬空間的數(shù)字化模型能夠?qū)ΜF(xiàn)實(shí)中的物理對(duì)象準(zhǔn)確描述，而且能夠控制物理對(duì)象的運(yùn)行過(guò)程，孿生數(shù)據(jù)能夠促使物理對(duì)象不斷優(yōu)化，直到最優(yōu)。
也就是說(shuō)，如果需要做系統(tǒng)設(shè)計(jì)改動(dòng)，或者想要知道系統(tǒng)在特殊外部條件下的反應(yīng)，工程師們可以在數(shù)字孿生體上進(jìn)行“實(shí)驗(yàn)”。這樣一來(lái)，既避免了現(xiàn)實(shí)中物理對(duì)象的影響，也可以提高效率、節(jié)約成本。
02不只是數(shù)據(jù)
數(shù)字孿生涉及的技術(shù)門(mén)類(lèi)較多，幾乎涉及信息產(chǎn)業(yè)所有鏈條。
1.端口智能化
作為數(shù)字孿生城市與真實(shí)世界的連接入口，端的存在感尤為突出。端主要由芯片、物聯(lián)網(wǎng)傳感器以及監(jiān)控設(shè)備等完成。如何將端口的數(shù)據(jù)采集做的更精準(zhǔn)，離不開(kāi)智能化。
而在實(shí)際應(yīng)用中，感知設(shè)備容易受到外界不可抗力影響。
以監(jiān)控設(shè)備為例，在雨天、沙塵、霧霾等不可抗拒的環(huán)境因素影響時(shí)，會(huì)導(dǎo)致成像質(zhì)量不佳；另外場(chǎng)景中的角度、遮擋、光線(xiàn)和像素等因素也會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)識(shí)別的準(zhǔn)確率偏低，很難將智能真正應(yīng)用于實(shí)戰(zhàn)。尤其是復(fù)雜場(chǎng)景下的視頻采集一直是業(yè)界的難題，比如大角度、低照度人臉抓拍、夜間低照度場(chǎng)景人車(chē)抓拍，白天玻璃強(qiáng)反光下車(chē)內(nèi)人臉抓拍等。
而通過(guò)視覺(jué)感知智能化，可以極大提升數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，同時(shí)降低后端數(shù)據(jù)處理的算力消耗，降低整體TCO，同時(shí)分布式處理也提升了系統(tǒng)可靠性。視覺(jué)感知智能化，可以從源頭影響數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，提升可視化信息的價(jià)值，為數(shù)字孿生應(yīng)用場(chǎng)景打下基礎(chǔ)。
2.端-邊-云協(xié)同
數(shù)字孿生下的萬(wàn)物感知互聯(lián)將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)不可能全部傳送到云計(jì)算中心，同時(shí)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)駕駛、視頻監(jiān)控等領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)性要求極高，需要在網(wǎng)絡(luò)邊緣處處理數(shù)據(jù)，因此貼近終端設(shè)備的邊緣計(jì)算成為云計(jì)算向邊緣側(cè)拓展的新觸角。作為大規(guī)模整體數(shù)據(jù)分析的云計(jì)算中心，和小規(guī)模局部數(shù)據(jù)輕量處理的邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，形成全局化的分布式協(xié)同計(jì)算形態(tài)，為數(shù)字孿生的精準(zhǔn)構(gòu)建與高效運(yùn)行提供“算力”支撐。
通過(guò)端邊云協(xié)同，使城市全域感知體系滿(mǎn)足低時(shí)延、高效能的設(shè)備協(xié)同要求，降低對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)的要求，達(dá)到就近計(jì)算、高效反饋、按需分析的設(shè)計(jì)目標(biāo)，城市立體感知體系更豐滿(mǎn)。
3.空間信息產(chǎn)業(yè)
在數(shù)字孿生生態(tài)構(gòu)建中，需要空間信息采集、建模、開(kāi)發(fā)、服務(wù)、應(yīng)用全產(chǎn)業(yè)鏈的深度參與。
在仿真分析層，為使數(shù)字化模型融入物理規(guī)律和機(jī)理的計(jì)算、分析等能力，就必須使用到仿真軟件，包括如CAD、EDA等工業(yè)仿真軟件和交通、物流領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)仿真軟件。在模型構(gòu)建層，在我國(guó)主要進(jìn)行數(shù)字化建模服務(wù)的企業(yè)以國(guó)有測(cè)繪企業(yè)為主，但提供測(cè)繪數(shù)據(jù)服務(wù)的軟件仍以采購(gòu)國(guó)外軟件為主。
……
通過(guò)以上這些智能計(jì)算設(shè)施可以讓城市部件進(jìn)行數(shù)字孿生，但數(shù)據(jù)并不是“智慧”，匯聚海量城市數(shù)據(jù)，也不等同于智慧的“城市大腦”。關(guān)鍵還在于如何讓數(shù)據(jù)發(fā)揮出自己的價(jià)值。
03星星之火
據(jù)上游新聞報(bào)道，2020年12月11日，由中國(guó)城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院和阿里云承建的“雄安新區(qū)規(guī)劃建設(shè)BIM管理平臺(tái)（一期）項(xiàng)目”已通過(guò)終驗(yàn)評(píng)審。雄安新區(qū)是國(guó)內(nèi)首個(gè)依照“數(shù)字孿生”理念設(shè)計(jì)的城市。
據(jù)介紹，雄安在規(guī)劃方案BIM審核時(shí)創(chuàng)新性引入了空間算法，把行業(yè)規(guī)范及專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)通過(guò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)出來(lái)，政府實(shí)現(xiàn)了技術(shù)方向主導(dǎo)。通過(guò)阿里云分布式計(jì)算，BIM平臺(tái)能對(duì)上百棟樓宇、百萬(wàn)平米體量的三維建筑模型，順暢完成質(zhì)量檢查、空間核查和指標(biāo)管控。此外，平臺(tái)構(gòu)建了一整套數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系（XDB），為城市空間可仿真、可計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。
雄安新區(qū)BIM管理平臺(tái)還整合了“GIS+BIM+IoT”技術(shù)，針對(duì)城市全生命周期的“規(guī)、建、管、養(yǎng)、用、維”六個(gè)階段，創(chuàng)新提出了貫穿數(shù)字城市與現(xiàn)實(shí)世界映射生長(zhǎng)的建設(shè)理念，實(shí)現(xiàn)了雄安新區(qū)城市發(fā)展全生命周期信息化和城市審批管理全流程數(shù)字化。
平臺(tái)打造了科學(xué)的數(shù)據(jù)生長(zhǎng)和治理機(jī)制，保證了雄安新區(qū)建設(shè)完成后，城市中的每一塊土地、每一棟建筑、每一條管廊管線(xiàn)、每一個(gè)智能基礎(chǔ)設(shè)施都會(huì)和設(shè)計(jì)的數(shù)字模型一一對(duì)應(yīng)，從而構(gòu)建出實(shí)體城市與數(shù)字城市虛擬交互、相互映射的數(shù)字孿生城市。
未來(lái)，基于數(shù)字模擬，雄安就可以進(jìn)行暴雨、大雪、交通疏導(dǎo)等特定場(chǎng)景的應(yīng)急演練。通過(guò)城市的模擬、診斷、預(yù)測(cè)，解決城市“規(guī)建管”中的復(fù)雜性和不確定性問(wèn)題，全面提高城市資源的配置效率和運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)一張藍(lán)圖干到底，將城市建設(shè)與管理提升至“細(xì)胞級(jí)”精細(xì)化治理水平。
數(shù)字孿生城市只是數(shù)字孿生的應(yīng)用之一。
未來(lái)交通是現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界的交匯融合，通過(guò)獲取現(xiàn)實(shí)世界中動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的交通數(shù)據(jù)，在虛擬世界里將其數(shù)字化、模型化，可以打通物理世界和云端的數(shù)字孿生世界，去推演解決現(xiàn)實(shí)世界中遇到的交通問(wèn)題，自動(dòng)駕駛領(lǐng)域許多技術(shù)，例如數(shù)據(jù)采集、標(biāo)注，虛擬仿真等，都可以為此提供助力。
在開(kāi)展自動(dòng)駕駛研發(fā)初期，騰訊已經(jīng)布局虛擬仿真技術(shù)領(lǐng)域。為了破解自動(dòng)駕駛實(shí)際道路測(cè)試面臨里程長(zhǎng)、成本高、測(cè)試場(chǎng)地少等難題，騰訊自研了虛擬仿真平臺(tái)TAD Sim，構(gòu)建高還原度的虛擬仿真環(huán)境，結(jié)合云服務(wù)，為自動(dòng)駕駛算法提供高并發(fā)的測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)。
虛擬孿生技術(shù)平臺(tái)，是騰訊在交通領(lǐng)域的重要布局之一。面向未來(lái)，騰訊致力于打造"以人為中心"的智慧交通系統(tǒng)。騰訊We Transport智慧交通戰(zhàn)略，聚焦交通建設(shè)、管理、運(yùn)營(yíng)、服務(wù)四個(gè)領(lǐng)域，通過(guò)5大基礎(chǔ)設(shè)施、5大核心引擎、3大能力平臺(tái)、3大泛在生態(tài)，為未來(lái)交通建設(shè)提供數(shù)字底座和云端大腦，支撐人、車(chē)、路、網(wǎng)、云的全鏈路服務(wù)。
除了自動(dòng)駕駛，今年9月，華為面向交通行業(yè)市場(chǎng)正式發(fā)布綜合大交通解決方案。在鐵路的智能運(yùn)維方面，利用5G技術(shù)的大帶寬低時(shí)延高可靠的特性，可以實(shí)時(shí)傳輸車(chē)上的監(jiān)控信息到地面，構(gòu)建動(dòng)車(chē)組的數(shù)字孿生平臺(tái)，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)智慧運(yùn)維的各種場(chǎng)景。基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)裝備的故障預(yù)測(cè)和全生命周期健康管理，使移動(dòng)裝備的檢修由長(zhǎng)期以來(lái)計(jì)劃修向狀態(tài)修、預(yù)測(cè)修轉(zhuǎn)變。逐步構(gòu)建移動(dòng)裝備檢修的智能數(shù)據(jù)采集、智能數(shù)據(jù)分析、智能檢修、智能調(diào)度、智能安全保障等全維護(hù)體系。
此外，在2020中國(guó)產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)高峰論壇上，360工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全研究院負(fù)責(zé)人張建新指出，數(shù)字孿生可以為解決工業(yè)安全問(wèn)題提供新的思路。360工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院研究結(jié)果表明，通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，可以為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)安全性評(píng)估和整體規(guī)劃、攻防驗(yàn)證、攻擊欺騙高仿真度模擬、安全態(tài)勢(shì)感知、業(yè)務(wù)安全等五大方面，提供安全賦能。此外，基于數(shù)字孿生可以構(gòu)建更精準(zhǔn)的安全態(tài)勢(shì)感知和應(yīng)急防御體系；兼顧業(yè)務(wù)安全與網(wǎng)絡(luò)信息安全，面向業(yè)務(wù)安全領(lǐng)域的安全內(nèi)涵擴(kuò)展。
事實(shí)上，當(dāng)前數(shù)字孿生技術(shù)仍有著推進(jìn)目的和方向不清，應(yīng)用場(chǎng)景深度不足、城市信息模型重復(fù)建設(shè)，孿生底座亟待整合、缺乏統(tǒng)一CIM平臺(tái)規(guī)范，數(shù)據(jù)融通標(biāo)準(zhǔn)缺失、關(guān)鍵技術(shù)存在卡脖子風(fēng)險(xiǎn)，亟待創(chuàng)新突破等問(wèn)題。
但隨著5G時(shí)代到來(lái)，萬(wàn)物互聯(lián)變成現(xiàn)實(shí)，AI的加速發(fā)展實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)深度融合，數(shù)字孿生的新世代注定到來(lái)，如何把握好這場(chǎng)萬(wàn)億市場(chǎng)級(jí)別的變革，仍是當(dāng)下需要思考的。
