引言
近年來(lái)，數(shù)字孿生成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界頻繁提及的熱點(diǎn)名詞之一。在學(xué)界，數(shù)字孿生結(jié)合現(xiàn)有的深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行一些科學(xué)問(wèn)題的創(chuàng)新和解決。在工業(yè)界，主要是通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行物理模型的精細(xì)化構(gòu)建和設(shè)計(jì)。數(shù)字孿生是開(kāi)拓下一代工業(yè)革命的跨學(xué)科通用型技術(shù)，其對(duì)真實(shí)物理世界構(gòu)建了數(shù)字鏡像，并實(shí)現(xiàn)物理世界和數(shù)字世界的雙向?qū)崟r(shí)驅(qū)動(dòng)。得益于這種實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)高精度仿真技術(shù)，能夠進(jìn)行復(fù)雜體系下多智能體的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)人工智能訓(xùn)練與行為優(yōu)化，并承載未來(lái)數(shù)字孿生智慧城市、工業(yè)制造和軍事預(yù)演決策的關(guān)鍵性應(yīng)用。本文主要是介紹數(shù)字孿生的基本概念及其在一些實(shí)際場(chǎng)景下的應(yīng)用。
背景
數(shù)字孿生的概念提出要追溯到1997年[1]應(yīng)用于城市規(guī)劃和高速公路的建設(shè)，但美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)為了改進(jìn)航天器的物理模型模擬而提出了數(shù)字孿生的第一個(gè)實(shí)際定義[2]：數(shù)字孿生是對(duì)物理對(duì)象或系統(tǒng)的數(shù)字化虛擬表示。“數(shù)字孿生”背后的技術(shù)已經(jīng)擴(kuò)展到包括建筑物，工廠甚至城市之類(lèi)的大型項(xiàng)目，并進(jìn)一步擴(kuò)展了這一概念[3]。從本質(zhì)上講，數(shù)字孿生是一種計(jì)算機(jī)程序，它將有關(guān)物理對(duì)象或系統(tǒng)的真實(shí)數(shù)據(jù)作為輸入[4]，并生成有關(guān)該物理對(duì)象或系統(tǒng)將如何受這些輸入影響的預(yù)測(cè)或模擬作為輸出。完整的數(shù)字孿生系統(tǒng)，包括了三個(gè)重要的組成部分：物理空間的真實(shí)系統(tǒng)、虛擬空間的仿真系統(tǒng)以及物理空間和虛擬空間之間的數(shù)據(jù)和信息交互接口。數(shù)字孿生的體系結(jié)構(gòu)主要以數(shù)字同化的技術(shù)存在[5]，通過(guò)傳感器等基礎(chǔ)硬件的建設(shè)，接入真實(shí)世界傳導(dǎo)的不同維度的大數(shù)據(jù)。物理世界的數(shù)據(jù)通過(guò)交互接口傳入虛擬世界進(jìn)行模擬，虛擬世界反饋結(jié)果到物理世界實(shí)現(xiàn)仿真分析和優(yōu)化。圖1中展現(xiàn)了虛擬的數(shù)字空間和真實(shí)空間的交互模型及流程[6]。
圖1虛擬空間與真實(shí)空間的交互模擬流程
對(duì)于物理世界的真實(shí)產(chǎn)品，數(shù)字孿生已經(jīng)能在工業(yè)及環(huán)境領(lǐng)域展開(kāi)應(yīng)用，并在降低制造和維護(hù)成本上取得成功。例如，歐盟近年基于地球的環(huán)境氣候數(shù)據(jù)并采用數(shù)字孿生技術(shù)來(lái)解決多年后的氣候及環(huán)境問(wèn)題[7,8]；隨著5G技術(shù)的發(fā)展，信息傳輸成本的降低，基于納米發(fā)電機(jī)的機(jī)器人在數(shù)字孿生的技術(shù)上得以研發(fā)[9]?，F(xiàn)實(shí)世界的事物進(jìn)行抽象成復(fù)雜的多智能體系統(tǒng)，在數(shù)字孿生的幫助下可以緩解復(fù)雜系統(tǒng)中不可預(yù)測(cè)的突發(fā)行為[10]。在工業(yè)生產(chǎn)及航空航天器中，將實(shí)物進(jìn)行“數(shù)字還原”并進(jìn)行產(chǎn)品的生產(chǎn)指導(dǎo)和改進(jìn)[11-13]大大降低了成本。
此外，通過(guò)數(shù)字孿生的方法進(jìn)行智慧城市建設(shè)，輔助智能化城市管理是一個(gè)更深入，更有意義的話(huà)題。在城市治理的復(fù)雜體系下，物理世界的真實(shí)系統(tǒng)包括了數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的個(gè)體在每一時(shí)刻的自由行為，通過(guò)數(shù)學(xué)建模進(jìn)行簡(jiǎn)化，抓取最關(guān)鍵的信息維度，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的高度還原。實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)新冠疫情的爆發(fā)，數(shù)字孿生可對(duì)傳染病的傳播機(jī)制進(jìn)行更細(xì)致化的模擬[14-16]，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)浪潮中智慧城市技術(shù)的進(jìn)一步創(chuàng)新[17]?，F(xiàn)階段，城市體系下數(shù)字孿生中，虛擬世界對(duì)物理世界的還原程度仍受制于建模的精確度和計(jì)算資源的不足。在城市中采取網(wǎng)格化分割，虛擬世界的網(wǎng)格間運(yùn)用新型區(qū)塊鏈算法先行內(nèi)部通信，結(jié)合強(qiáng)化學(xué)習(xí)等最新的人工智能算法，將能解決對(duì)大規(guī)模多智能體復(fù)雜體系的高精度數(shù)字孿生。
大規(guī)模復(fù)雜體系的數(shù)字孿生應(yīng)用
在大規(guī)模復(fù)雜體系的數(shù)字孿生研究中，為了進(jìn)行氣象預(yù)測(cè)，已經(jīng)有研究團(tuán)隊(duì)試圖通過(guò)爆炸式數(shù)據(jù)和密集計(jì)算，開(kāi)展數(shù)字孿生模擬。2021年在Nature Computation Science上發(fā)表的最新成果《The digital revolution of Earth-system science》，其主要展望了數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用在地球系統(tǒng)科學(xué)中的計(jì)算框架，包括了對(duì)天氣的預(yù)測(cè)，氣候變化的推演等[18]。
近幾十年來(lái)，人類(lèi)的活動(dòng)對(duì)大氣中溫室氣體濃度的影響以及對(duì)氣候系統(tǒng)的影響愈加明顯，據(jù)報(bào)道有超過(guò)97%的人接受了這一結(jié)論，且科學(xué)家們認(rèn)為必須在未來(lái)幾十年內(nèi)大幅減少人為溫室氣體排放，以避免一場(chǎng)氣候?yàn)?zāi)難。為了刻畫(huà)氣候的變化，目前主要應(yīng)用的是地球系統(tǒng)模型。地球系統(tǒng)模型需要的不僅僅是穩(wěn)定的進(jìn)展，還需要有一個(gè)非常高的分辨率，更真實(shí)地表現(xiàn)所有尺度的過(guò)程以及它們?cè)诖髿?、海洋、冰凍圈、陸地表面和生物圈之間的相互作用，即地球上影響到氣候變化的復(fù)雜體系形成，然而要精確刻畫(huà)這一高維度復(fù)雜體系環(huán)境，將不可避免地轉(zhuǎn)化為我們計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力需求的飛躍。其次，高維數(shù)據(jù)的爆炸式增長(zhǎng)要求科學(xué)家們重新思考在極端尺度下處理地球系統(tǒng)建模和高性能計(jì)算的方式。在這篇文章中，作者提出了潛在的解決方案，以適應(yīng)當(dāng)前的算法框架，以最好地利用數(shù)字孿生技術(shù)所提供的，從而為解決上述挑戰(zhàn)鋪平道路。
圖2展示了一個(gè)操作天氣預(yù)測(cè)工作流程的要素，其中步驟2-4是非常密集的計(jì)算(千兆次)和數(shù)據(jù)(每天100兆兆字節(jié))。天氣模擬不同于氣候模擬，因?yàn)樗鼈冊(cè)诿刻斓奶囟〞r(shí)間以突發(fā)模式運(yùn)行，而氣候預(yù)測(cè)則以穩(wěn)定生產(chǎn)模式運(yùn)行，以完成數(shù)十年、100年和千年的氣候預(yù)測(cè)。
圖2天氣預(yù)測(cè)工作流程
氣候模型中，碳循環(huán)、水循環(huán)是不可忽略的關(guān)鍵因素?？茖W(xué)家們認(rèn)識(shí)到，小尺度和地球系統(tǒng)的復(fù)雜性對(duì)天氣預(yù)測(cè)很重要，因此，我們既需要精確刻畫(huà)細(xì)微的碳、水循環(huán)等，又需要地球系統(tǒng)過(guò)程的復(fù)雜性。
圖3中所示的地球系統(tǒng)的數(shù)字孿生系統(tǒng)，將模擬和近實(shí)時(shí)觀測(cè)最佳地結(jié)合起來(lái)，以監(jiān)測(cè)地球系統(tǒng)的演變。這種仿真模擬具有巨大的計(jì)算空間，地球系統(tǒng)狀態(tài)由數(shù)十億個(gè)自由度組成，處理的是幾乎全是非線性及混沌系統(tǒng)。把已構(gòu)建好的模型擴(kuò)展到數(shù)字孿生系統(tǒng)中，以顆粒度更小，復(fù)雜性更高，由于觀測(cè)結(jié)果更加多樣化，包括與天氣和氣候有關(guān)的影響模型和觀測(cè)結(jié)果，數(shù)字孿生的應(yīng)用成為最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用之一。
圖3數(shù)字孿生系統(tǒng)對(duì)未來(lái)氣候的推測(cè)
另一方面，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和離散化是數(shù)字孿生框架的重要組成部分。當(dāng)考慮高性能計(jì)算時(shí)，需要注意一些基本的架構(gòu)構(gòu)建塊，如空間離散化、向前差分和地球系統(tǒng)中的不同結(jié)構(gòu)之間的耦合。通過(guò)將大時(shí)間步長(zhǎng)方法與高階離散化相結(jié)合，可以同時(shí)提高效率和精度。解決方案通過(guò)對(duì)不同的地球系統(tǒng)組件使用不同的時(shí)間步長(zhǎng)來(lái)提高效率，包括了分離垂直和水平的對(duì)流輸送，離散動(dòng)力學(xué)方程的充分耦合，以及重復(fù)應(yīng)用相同的計(jì)算模式，為平流或垂直物理過(guò)程模擬大氣和海洋。
這些發(fā)展的協(xié)同作用在圖4中被概括。支持各種網(wǎng)格布局、數(shù)值方法以及并行化計(jì)算。機(jī)器學(xué)習(xí)既可以提高計(jì)算效率，也可以從數(shù)據(jù)分析中獲得更好的物理過(guò)程描述。氣候變化帶來(lái)的社會(huì)挑戰(zhàn)需要預(yù)測(cè)技能的逐步改變，而這是無(wú)法通過(guò)逐步提高來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在地球系統(tǒng)和計(jì)算科學(xué)之間的界面上進(jìn)行投入，以促進(jìn)文中所描述的數(shù)字孿生-地球系統(tǒng)模型的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。
圖4數(shù)字孿生-地球系統(tǒng)的概念視圖
討論和展望
數(shù)字孿生具備很高應(yīng)用前景，它的應(yīng)用將帶來(lái)極高的社會(huì)效益，能節(jié)省大量的社會(huì)資源。但現(xiàn)階段，大規(guī)模復(fù)雜體系的數(shù)字孿生是有瓶頸的，面臨著諸多困境亟待解決[3]。
圖5真實(shí)世界的數(shù)字孿生
第一個(gè)難點(diǎn)是數(shù)據(jù)?，F(xiàn)實(shí)復(fù)雜體系下，很多數(shù)據(jù)是難以獲取的，例如在真實(shí)城市環(huán)境下，許多數(shù)據(jù)受到個(gè)人隱私的保護(hù)，無(wú)法用于研究。甚至于許多關(guān)鍵性信息是無(wú)法測(cè)量的，例如在研究城市大規(guī)模傳染病傳播的數(shù)字孿生模型中，每個(gè)染病的個(gè)體是在何時(shí)染病的，就無(wú)法立即獲取，只能依靠事后的倒推，并且數(shù)據(jù)精確性不高。因此，獲取什么樣的數(shù)據(jù)是一個(gè)首先需要面對(duì)的難題。即便獲取到數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)精確性到底有多高是存疑的，不精確的數(shù)據(jù)對(duì)于有些精密運(yùn)轉(zhuǎn)的體系是致命的。獲取數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)傳輸也是一個(gè)障礙，據(jù)估計(jì)，谷歌的自動(dòng)駕駛汽車(chē)每秒可產(chǎn)生1 GB的數(shù)據(jù)，但是今天的藍(lán)牙連接只能處理該速率的0.03%。此外，同一維度數(shù)據(jù)的不同數(shù)據(jù)類(lèi)型合并也有困難，例如溫度可能是攝氏和華氏，視頻或圖像的像素比例等不同，時(shí)間可能會(huì)不同步等。對(duì)于大規(guī)模復(fù)雜體系，數(shù)據(jù)的所有權(quán)非常分散，很難集齊能夠支撐起數(shù)字孿生模擬的所有關(guān)鍵性數(shù)據(jù)。
第二個(gè)難點(diǎn)是模型。由于數(shù)字孿生的體系仍沒(méi)有完善地建立起來(lái)，甚至數(shù)字孿生本身的定義都未能被學(xué)界完全確定，因此數(shù)字孿生的公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)化模型仍沒(méi)有建立起來(lái)。在此情況下，針對(duì)復(fù)雜體系建模的數(shù)字孿生模擬，如何檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目煽啃浴⒎€(wěn)定性、精確性，是缺乏直接的判定手段和標(biāo)準(zhǔn)的。當(dāng)集成大規(guī)模體系的各部分時(shí)，為不同目的編寫(xiě)的軟件手工修補(bǔ)在一起時(shí)，可能還會(huì)出現(xiàn)其他錯(cuò)誤。
第三個(gè)難點(diǎn)是研究者。大規(guī)模復(fù)雜體系往往是跨領(lǐng)域的，數(shù)字孿生系統(tǒng)的搭建需要各個(gè)領(lǐng)域的細(xì)節(jié)知識(shí)，因此，由跨學(xué)科的專(zhuān)家組成的緊密團(tuán)隊(duì)對(duì)于構(gòu)建精確的數(shù)字孿生至關(guān)重要。隨著應(yīng)用的多樣化，所需許可的范圍將擴(kuò)大。現(xiàn)有的大多數(shù)數(shù)字孿生工業(yè)應(yīng)用，出現(xiàn)在通用電氣或西門(mén)子等大公司中，因?yàn)榻M建所需的團(tuán)隊(duì)既困難又昂貴。在學(xué)術(shù)知識(shí)共享方面，缺乏公共空間——從物理的到虛擬的——專(zhuān)家可以在其中交流和共享知識(shí)和軟件。此外，從研究到實(shí)際應(yīng)用，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界之間幾乎沒(méi)有聯(lián)系，很重要的原因是由于商業(yè)機(jī)密。大多數(shù)學(xué)術(shù)研究側(cè)重于改進(jìn)建模技術(shù)，而不是優(yōu)化數(shù)據(jù)和實(shí)施數(shù)字孿生。
基于以上困境，專(zhuān)家提出了四條建議，將使數(shù)字孿生的研究和開(kāi)發(fā)更具備應(yīng)用前景。第一是建立數(shù)據(jù)和模型的標(biāo)準(zhǔn)，這有助于不同領(lǐng)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，能使各領(lǐng)域的模型得以在數(shù)字孿生環(huán)境下堆疊。第二是數(shù)據(jù)和模型的共享。第三是應(yīng)該開(kāi)發(fā)產(chǎn)品和服務(wù)來(lái)幫助數(shù)字孿生更容易構(gòu)建和使用。第四是建立論壇，幫助各領(lǐng)域?qū)＜以诮涣鹘?jīng)驗(yàn)和知識(shí)。
總結(jié)
數(shù)字孿生是開(kāi)拓下一代工業(yè)革命的跨學(xué)科通用型技術(shù)，其對(duì)真實(shí)物理世界構(gòu)建了數(shù)字鏡像，并實(shí)現(xiàn)物理世界和數(shù)字世界的雙向?qū)崟r(shí)驅(qū)動(dòng)。得益于這種實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)高精度仿真技術(shù)，能夠進(jìn)行復(fù)雜體系下多智能體的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)人工智能訓(xùn)練與行為優(yōu)化，并承載未來(lái)如數(shù)字孿生智慧城市、工業(yè)制造等關(guān)鍵性應(yīng)用。
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