2020年11月，由工信部中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院牽頭編寫的《數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書》正式發(fā)布，反映出數(shù)字孿生對于我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的影響日益深刻。作為新基建背景下的重要研究成果，該白皮書對當(dāng)前我國數(shù)字孿生的技術(shù)熱點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域、產(chǎn)業(yè)情況和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行了分析，同時(shí)收錄了在智慧城市、智慧交通、智慧能源、智慧建筑、智能制造、智慧健康6大領(lǐng)域的31個(gè)應(yīng)用案例。本文僅節(jié)選關(guān)于智慧交通章節(jié)的部分內(nèi)容，以饗讀者。
近年來，數(shù)字孿生得到越來越廣泛的傳播。同時(shí)，得益于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生的實(shí)施已逐漸成為可能?，F(xiàn)階段，除了航空航w天領(lǐng)域，數(shù)字孿生還被應(yīng)用于電力、船舶、城市管理、農(nóng)業(yè)、建筑、制造、石油天然氣、健康醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)等行業(yè)。特別是在智能制造領(lǐng)域，數(shù)字孿生被認(rèn)為是一種實(shí)現(xiàn)制造信息世界與物理世界交互融合的有效手段。許多著名企業(yè)（如空客、洛克希德馬丁、西門子等）與組織（如Gartner、德勤、中國科協(xié)智能制造協(xié)會(huì)），對數(shù)字孿生給予了高度重視，并且開始探索基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)新模式。
標(biāo)準(zhǔn)化需求迫切
目前，雖然全國兩百多個(gè)城市都提出了各自的智慧城市建設(shè)方案，但各地對智慧城市建設(shè)的理解和認(rèn)知水平參差不齊，在信息化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入、信息化開發(fā)能力等方面還存在很大差異。智慧城市的“智慧”程度還存在很大差距，沒有統(tǒng)一的規(guī)劃指導(dǎo)和標(biāo)準(zhǔn)支撐，往往會(huì)造成重復(fù)投資和資源浪費(fèi)。同時(shí)，有可能造成各個(gè)城市盲目建設(shè)、城市間應(yīng)用形成更多孤島和難以連通的問題，導(dǎo)致“智慧城市”不智慧的局面。同時(shí)，調(diào)研表明，用戶在智慧城市建設(shè)中最為關(guān)注的仍然是信息化建設(shè)多年來的難題——信息資源共享、整合、有效利用和跨部門業(yè)務(wù)協(xié)同。
智慧城市建設(shè)涉及面廣、技術(shù)復(fù)雜、業(yè)務(wù)類型多，需信息、通信、應(yīng)用多領(lǐng)域協(xié)作，需要不斷完善標(biāo)準(zhǔn)體系。智慧城市部分領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)缺失，標(biāo)準(zhǔn)體系不完善，影響智慧城市標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。如智能家居標(biāo)準(zhǔn)缺失，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、產(chǎn)品兼容性和開放性差，無法互聯(lián)互通；新能源汽車、無人駕駛等由于缺乏加氫站建設(shè)運(yùn)營管理、無人駕駛汽車測試等規(guī)范而受影響。
數(shù)字孿生城市基于數(shù)字孿生技術(shù)建立的城市信息模型(CIM)，作為智慧城市的重要基礎(chǔ)，其核心圍繞全域數(shù)據(jù)端到端管理運(yùn)營：數(shù)據(jù)采集、接入、治理、融合、輕量化、可視化、應(yīng)用。這一核心正是面向信息資源共享、整合、有效利用和跨部門業(yè)務(wù)協(xié)同的根源性解決手段。因此，數(shù)字孿生城市的標(biāo)準(zhǔn)化制定會(huì)是滿足智慧城市標(biāo)準(zhǔn)化需求的重要途徑。
在空間維度，針對各層級模型及數(shù)字孿生之間，以及與上層級模型及數(shù)字孿生的可組合性、綜合孿生、混合孿生等，需要對功能性能、接口、集成、互操作性等建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。
在時(shí)間維度，針對數(shù)字孿生的動(dòng)態(tài)更新、基于數(shù)字線程實(shí)現(xiàn)全生命周期的數(shù)字孿生等，需要對全生命周期的模型傳遞、數(shù)據(jù)集成等建立相關(guān)指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。
在價(jià)值維度，需要基于優(yōu)化目標(biāo)、增值服務(wù)等核心需求，聚焦關(guān)鍵對象的數(shù)字孿生，這一過程方法需要相關(guān)指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。
多維度的探索
案例一：地鐵設(shè)備數(shù)字孿生模型的應(yīng)用
機(jī)場站是深圳地鐵11號線的一座車站，位于機(jī)場航站樓及交通中心，北側(cè)為深圳寶安國際機(jī)場，在T3航站樓地下。航站樓南側(cè)為機(jī)場交通中心。車站是供旅客乘降、換乘和候車的場所，應(yīng)保證旅客方便、安全、迅速地進(jìn)出車站，并有良好的通風(fēng)、照明、衛(wèi)生、防火設(shè)備等，給旅客提供舒適、清潔的環(huán)境。尤其是機(jī)場站，車站應(yīng)容納主要的技術(shù)設(shè)備和運(yùn)營管理系統(tǒng)，從而保證城市軌道交通的安全運(yùn)行。
目前地鐵車站采用監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)地鐵車站監(jiān)控運(yùn)維管理，但存在以下三方面缺陷。
信息可視化方面：傳統(tǒng)監(jiān)控運(yùn)維系統(tǒng)中，不同設(shè)施、不同地點(diǎn)的信息和狀態(tài)通常使用二維圖紙進(jìn)行信息展示，難以與實(shí)際物理模型相對應(yīng)。因此，在這種系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和故障反饋都不夠直觀，難以直觀反映出建筑或設(shè)施的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。缺少直觀準(zhǔn)確表達(dá)系統(tǒng)信息與讓管理者理解的展示能力，效果必然大打折扣。
信息共享化方面：傳統(tǒng)監(jiān)控運(yùn)維系統(tǒng)中，不同領(lǐng)域、不同來源的信息往往是異構(gòu)的，如傳感器數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等，通常是分別顯示和存儲(chǔ)，信息之間缺乏與實(shí)際模型的緊密聯(lián)系，這樣的信息管理模式會(huì)對維護(hù)工作造成諸多不便。
數(shù)據(jù)分析方面：對于大多數(shù)建筑和設(shè)施，監(jiān)控運(yùn)維數(shù)據(jù)的積累具有很大價(jià)值。而在傳統(tǒng)的監(jiān)控運(yùn)維系統(tǒng)中，由于對信息的整合程度不夠，數(shù)據(jù)間的內(nèi)在聯(lián)系難以被深入挖掘，從而降低了運(yùn)維效率。
為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本項(xiàng)目在原有系統(tǒng)基礎(chǔ)上引入數(shù)字孿生技術(shù)。數(shù)字孿生技術(shù)將物理資產(chǎn)和數(shù)字資產(chǎn)進(jìn)行同步，利用數(shù)字手段將數(shù)字孿生資產(chǎn)中的所有數(shù)據(jù)元素連接到各個(gè)階段、各個(gè)流程中，并通過不同的輸出方式進(jìn)行運(yùn)用。而運(yùn)營維護(hù)和管理是地鐵項(xiàng)目的重要環(huán)節(jié)，各個(gè)階段也要針對各自的需求來合理運(yùn)用數(shù)字技術(shù)，并能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行流通，來滿足最終的運(yùn)維需求。數(shù)字資產(chǎn)中，作為所有數(shù)字信息的載體，最根本的條件就是要有一個(gè)能夠和物理資產(chǎn)相對應(yīng)的數(shù)字模型。
本項(xiàng)目中，采用了建筑信息與設(shè)備信息結(jié)合的數(shù)字模型，建筑信息模型中同時(shí)包含設(shè)備信息，并借助無線傳感以及通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備與數(shù)字模型的實(shí)時(shí)交互，形成三維和二維可視化人機(jī)界面，從而提供全面的地鐵運(yùn)行狀況，并可結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，實(shí)時(shí)分析運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地鐵車站的高效安全運(yùn)營。
隨著BIM（Building Information Modeling，建筑信息建模）技術(shù)在建筑的設(shè)計(jì)、施工階段的應(yīng)用愈加普及，借助BIM模型能夠覆蓋系統(tǒng)運(yùn)維的全生命周期。因此在建筑竣工以后通過繼承設(shè)計(jì)、施工階段所生成的BIM竣工模型，可將各種零碎、分散、割裂的信息數(shù)據(jù)，以及運(yùn)維階段所需的各種機(jī)電設(shè)備參數(shù)進(jìn)行一體化整合。同時(shí)，能夠進(jìn)一步引入日常設(shè)備運(yùn)維管理功能，完成空間與設(shè)備運(yùn)維管理。
項(xiàng)目不僅完成了數(shù)字模型生成，更是將其與運(yùn)維階段業(yè)務(wù)流程結(jié)合，設(shè)計(jì)了借助數(shù)字模型的業(yè)務(wù)流程管理體系，例如：智慧巡檢、智慧維修、智慧施工等功能。優(yōu)先實(shí)現(xiàn)以資產(chǎn)運(yùn)維、智慧車站和智慧節(jié)能為主的智慧地鐵功能，智慧地鐵應(yīng)用開發(fā)生態(tài)基本成型。運(yùn)維人員利用手持終端進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)，實(shí)現(xiàn)對檢修作業(yè)現(xiàn)場的全過程管理，從人員、時(shí)間、位置、設(shè)備、工器具、物資等多維度實(shí)現(xiàn)檢修作業(yè)管理的標(biāo)準(zhǔn)化、精細(xì)化、智能化管理。
案例二：三維鐵路數(shù)字產(chǎn)品
數(shù)字孿生模型是物理資產(chǎn)、流程或系統(tǒng)以及可供我們了解并對其性能進(jìn)行建模的工程信息的數(shù)字化表示。數(shù)字孿生模型技術(shù)可以確保根據(jù)學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)提升設(shè)計(jì)，并將這些經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于未來的產(chǎn)品和系統(tǒng)中。數(shù)字孿生模型會(huì)跨越資產(chǎn)全生命周期，將它應(yīng)用于鐵路基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，其意義和影響力將非常明顯。
在新鐵路的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工期間或進(jìn)行重大升級時(shí)，工程數(shù)字孿生模型可以根據(jù)運(yùn)營要求優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過模擬來降低工期延誤或施工不合規(guī)的風(fēng)險(xiǎn)。工程數(shù)字孿生模型還可以改善供應(yīng)鏈內(nèi)的物流和溝通，從而維持項(xiàng)目進(jìn)度和預(yù)算。在運(yùn)營期間，性能數(shù)字孿生模型將成為最有價(jià)值的工具。業(yè)主運(yùn)營商可以將來自物聯(lián)網(wǎng)（IoT）互聯(lián)設(shè)備（如可以進(jìn)行持續(xù)勘測以實(shí)時(shí)跟蹤現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的資產(chǎn)變化的無人機(jī)）的數(shù)據(jù)添加到數(shù)字化表示中，從而更深入地了解運(yùn)營狀況，這種深入了解有助于業(yè)主運(yùn)營商確定維護(hù)或升級的優(yōu)先級并對其進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)。因此，如果成功實(shí)施數(shù)字孿生模型技術(shù)，鐵路或交通運(yùn)輸系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)其最大價(jià)值。通過使用數(shù)字孿生模型來規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，以及在運(yùn)營期間利用數(shù)字孿生模型，鐵路或交通運(yùn)輸業(yè)主運(yùn)營商將能夠提升性能和可靠性。
中鐵四院基于數(shù)字孿生技術(shù)開發(fā)的三維數(shù)字鐵路，具備在全球三維地理空間下開展實(shí)時(shí)三維選線設(shè)計(jì)與生成全線普適性三維數(shù)字鐵路資產(chǎn)的能力，提供了世界領(lǐng)先的資產(chǎn)構(gòu)建手段。同時(shí)，支持基于桌面端、網(wǎng)頁端、手機(jī)端、VR/AR端，實(shí)時(shí)查看三維地理環(huán)境的全線數(shù)字鐵路資產(chǎn)。
1.基于數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建普適性的鐵路數(shù)字資產(chǎn)
鐵路是橋梁、隧道、站場、路基等構(gòu)件的有序拓?fù)洌S數(shù)字鐵路產(chǎn)品基于數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)BIM、CAD、GIS無縫融合，整合各類地理信息資源，通過對線性工程深入的自動(dòng)化建模手段開發(fā)，將鐵路工程上的萬事萬物都統(tǒng)一到數(shù)字地球空間上，構(gòu)建鐵路數(shù)字孿生，具有一致性、完整性、全生命周期和普適性等特點(diǎn)。
2.三維數(shù)字鐵路是一種獨(dú)立的、開放的數(shù)據(jù)資產(chǎn)
三維數(shù)字鐵路是獨(dú)立于任何表達(dá)及管理平臺(tái)的、格式完全公開、滿足國際OGC（國際開發(fā)地理信息聯(lián)盟）標(biāo)準(zhǔn)的GIS數(shù)據(jù)產(chǎn)品，可以定制配置到任何GIS評估上進(jìn)行表達(dá)，與商業(yè)表達(dá)平臺(tái)無關(guān)。數(shù)字鐵路產(chǎn)品按照空間數(shù)據(jù)庫的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，不僅僅可以用于信息管理系統(tǒng)中的查詢、分析決策等拓展開發(fā)，更能有效利用空間數(shù)據(jù)庫的GIS兼容表達(dá)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)空間定位、空間分析及各種二三維符號化配置表達(dá)。
案例三：智慧交通仿真推演平臺(tái)
隨著私家車數(shù)量的與日俱增，直接造成了城市道路的大量擁堵，交通擁堵的地方發(fā)生事故的頻率也相對較高，嚴(yán)重影響了人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。顯然，城市交通嚴(yán)重?fù)矶碌膯栴}是與智慧城市的理念相悖的，可以說，如果城市交通嚴(yán)重?fù)矶碌膯栴}不改善，那么智慧城市的理念也很難得到實(shí)現(xiàn)。而造成這些現(xiàn)象的原因除了汽車數(shù)量過多以外，部分路線建設(shè)不合理，高峰期缺乏對車輛的宏觀調(diào)控也造成了交通擁堵的主要原因。
如何找到城市交通擁堵問題的解決方案，在現(xiàn)實(shí)世界中修改道路或者做實(shí)地測試非常困難。而在數(shù)字孿生技術(shù)塑造的場景中可以做成百上千種測試。讓每一輛車、每一條路，甚至很多車道線設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)在模擬器內(nèi)測試，跑出最優(yōu)解，然后再回到現(xiàn)實(shí)世界里去實(shí)施。
智慧交通仿真推演平臺(tái)是基于數(shù)字孿生基底，把CIM支撐平臺(tái)提供的交通領(lǐng)域的信息數(shù)據(jù)，在推演平臺(tái)試驗(yàn)，修改信號燈、路測設(shè)備等其他關(guān)聯(lián)信息參數(shù)，推演交通運(yùn)行情況，決策方案反饋到現(xiàn)實(shí)，指導(dǎo)交通運(yùn)行；借助vissim平臺(tái)構(gòu)筑交通仿真場景，提供實(shí)時(shí)軌跡；實(shí)時(shí)響應(yīng)通訊仿真的反饋；借助NS2平臺(tái)無線節(jié)點(diǎn)跟蹤OBU車輛運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行策略員發(fā)布的通訊仿真任務(wù)。并可利用仿真結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)交通流控制方案對比，利用仿真結(jié)果和執(zhí)行方案進(jìn)行道路信號控制、智能誘導(dǎo)、線路規(guī)劃，卡口控制分流、后期道路流量預(yù)測等，進(jìn)行擁堵管控服務(wù)和管理。
本案例的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是創(chuàng)新構(gòu)建城市級交通仿真推演及預(yù)測體系。
在城市規(guī)劃建設(shè)過程中需要具有預(yù)見性和前瞻性，在城市運(yùn)行管理過程中需要具有全局性和戰(zhàn)略性。該城市仿真推演與預(yù)測體系基于本項(xiàng)目所提出的“同步規(guī)劃、同步建設(shè)”的城市數(shù)字孿生技術(shù)框架，充分利用智慧城市新型融合網(wǎng)絡(luò)體系，通過使用深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)和增量學(xué)習(xí)協(xié)同技術(shù)，分析城市級動(dòng)態(tài)演化與知識發(fā)現(xiàn)，預(yù)測城市發(fā)展，實(shí)現(xiàn)城市級運(yùn)行資源要素優(yōu)化配置。與傳統(tǒng)城市仿真推演與預(yù)測技術(shù)相比，本項(xiàng)目所提出的創(chuàng)新技術(shù)方法不僅適合大型國家級新區(qū)規(guī)劃建設(shè)中的推演與預(yù)測，而且對于具有戰(zhàn)略地位的大型城市區(qū)域運(yùn)行管理也具有很強(qiáng)的支撐作用。
標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用的趨勢
隨著ISO、IEC、ISO/IEC JTC1、IEEE、全國信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)、國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)化總體組等國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化組織或機(jī)構(gòu)，對數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)化的關(guān)注與推動(dòng)，《數(shù)字孿生概念與術(shù)語》(ISO/IEC JTC1 AWI 5618)、《數(shù)字孿生應(yīng)用案例》(ISO/IEC JTC1 AWI 5719)、《智能制造虛擬工廠參考架構(gòu)》(20182046-T-339)、《智能制造虛擬工廠信息模型》（20182047-T-339）等，多項(xiàng)數(shù)字孿生相關(guān)國際、國家標(biāo)準(zhǔn)獲得立項(xiàng)或提出討論。未來，數(shù)字孿生領(lǐng)域基礎(chǔ)共性及關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將不斷涌現(xiàn)，依托正在研制的數(shù)字孿生概念框架等標(biāo)準(zhǔn)，通過聚焦核心標(biāo)準(zhǔn)化需求逐步建立基本的數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系，并孵化典型行業(yè)中的數(shù)字孿生應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)，形成國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)良性互動(dòng)的局面。
長期以來，使用虛擬的模型來優(yōu)化流程、產(chǎn)品或服務(wù)的想法并不新鮮。但隨著具有更復(fù)雜的仿真和建模能力、更好的互操作性和IoT傳感器，以及電力系統(tǒng)可視化的數(shù)字化仿真平臺(tái)和工具的廣泛使用，使企業(yè)逐漸意識到創(chuàng)建更精細(xì)、更具動(dòng)態(tài)感的數(shù)字化仿真模型成為可能。目前，越來越多的企業(yè)，特別是從產(chǎn)品銷售向”產(chǎn)品+服務(wù)”轉(zhuǎn)變的企業(yè)，正在廣泛應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)。數(shù)字孿生的大規(guī)模應(yīng)用場景還比較有限，涉及的行業(yè)也有待繼續(xù)拓展。仍然面臨企業(yè)內(nèi)、行業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)采集能力參差不齊，底層關(guān)鍵數(shù)據(jù)無法得到有效感知等問題。此外，對于已采集的數(shù)據(jù)閑置度高，缺乏數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和挖掘相關(guān)的深度集成應(yīng)用，難以發(fā)揮數(shù)據(jù)潛藏價(jià)值。從長遠(yuǎn)來看，要釋放數(shù)字孿生技術(shù)的全部潛力，有賴于從底層向上層數(shù)據(jù)的有效貫通，并需要整合整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中的所有系統(tǒng)與數(shù)據(jù)。
