這些年來，信息技術(shù)的發(fā)展有了明顯變化。
以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能為代表的算力技術(shù)演進(jìn)，以及以全光網(wǎng)絡(luò)、4G/5G、Wi-Fi 6為代表的聯(lián)接力技術(shù)飛躍，使得人們對(duì)數(shù)字技術(shù)提出了更高的期望。
人們希望在信息化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，將澎湃的數(shù)字動(dòng)能從個(gè)人消費(fèi)領(lǐng)域轉(zhuǎn)向包括工業(yè)制造、交通物流、教育醫(yī)療等在內(nèi)的各個(gè)垂直行業(yè)，實(shí)現(xiàn)全行業(yè)及整個(gè)社會(huì)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。
換句話說，數(shù)字技術(shù)除了幫助消費(fèi)者更好地社交、娛樂之外，還要幫助企業(yè)升級(jí)制造工藝、改進(jìn)經(jīng)營流程，進(jìn)一步提升生產(chǎn)力。
此外，信息技術(shù)還要幫助政府提升治理能力、優(yōu)化管理效率，改善居民的城市生活質(zhì)量。
數(shù)字孿生技術(shù)，就是基于這樣的時(shí)代背景誕生的。
2011年3月，美國空軍實(shí)驗(yàn)室首次提出了數(shù)字孿生（Digital Twin）。當(dāng)時(shí)，他們將這一概念用于戰(zhàn)斗機(jī)維護(hù)工作的數(shù)字化。
不久后，另外兩家公司關(guān)注到了數(shù)字孿生，并決定將它在民用領(lǐng)域發(fā)揚(yáng)光大。這兩家公司，分別是美國的通用電氣（GE），以及德國的西門子（Siemens）。
通用電氣和西門子是世界級(jí)的工業(yè)巨頭，長期關(guān)注工業(yè)的自動(dòng)化和數(shù)字化改造，也一直在研究工業(yè)4.0。
對(duì)他們來說，數(shù)字孿生信息技術(shù)發(fā)展到新一階段的產(chǎn)物，是典型的工業(yè)數(shù)字化技術(shù)，代表了工業(yè)制造手段與數(shù)字科技深入融合發(fā)展的未來方向。為此，他們投入了大量的資源，全力進(jìn)行數(shù)字孿生技術(shù)的研發(fā)，并將其推向全球各個(gè)領(lǐng)域。
█什么是數(shù)字孿生
說了半天，到底什么是數(shù)字孿生呢？
數(shù)字孿生的官方概念非常拗口，是這么說的：
數(shù)字孿生，是綜合運(yùn)用感知、計(jì)算、建模等信息技術(shù)，通過軟件定義，對(duì)物理空間進(jìn)行描述、診斷、預(yù)測(cè)、決策，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物理空間與賽博空間（Cyberspace，可以理解為數(shù)字虛擬空間）的交互映射。
刪掉描述，提煉骨干，會(huì)變得簡(jiǎn)單一些：“數(shù)字孿生，是物理空間和數(shù)字虛擬空間的交互映射。”
更簡(jiǎn)單來說，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”，也被稱為“數(shù)字孿生體”。
對(duì)于很多人來說，數(shù)字孿生很容易與“數(shù)字建模”混淆。畢竟，數(shù)字建模也是建立了一個(gè)仿真克隆。
但實(shí)際上，數(shù)字孿生和“數(shù)字建模”是有很大區(qū)別。數(shù)字孿生的特性，概括起來就是4個(gè)詞——“動(dòng)態(tài)”、“全生命周期”、“實(shí)時(shí)/準(zhǔn)實(shí)時(shí)”、“雙向”。
所謂“動(dòng)態(tài)”，是指本體的實(shí)時(shí)狀態(tài)、還有外界環(huán)境狀態(tài)，會(huì)通過傳感器等手段，復(fù)現(xiàn)到數(shù)字孿生體上。也就是說，孿生體不是靜止的，而是變化的。
“全生命周期”，則是指數(shù)字孿生貫穿于產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，包括設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造、服務(wù)、維護(hù)乃至報(bào)廢回收等。它并不僅限于幫助企業(yè)把產(chǎn)品本體造出來，還在于幫助企業(yè)使用和維護(hù)本體。
“實(shí)時(shí)/準(zhǔn)實(shí)時(shí)”，很好理解，就是前面所說的“動(dòng)態(tài)”數(shù)字反應(yīng)，是實(shí)時(shí)/準(zhǔn)實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的，沒有大的時(shí)延，沒有明顯滯后性。
“雙向”這個(gè)特性非常關(guān)鍵。傳統(tǒng)建模往往是單向的——建立模型，然后依據(jù)模型制造本體。數(shù)字孿生完全不同，孿生體除了接收本體數(shù)據(jù)之外，還可以反向給本體輸送數(shù)據(jù)。企業(yè)可以根據(jù)孿生體反饋的信息，對(duì)本體采取進(jìn)一步的行動(dòng)和干預(yù)。
站在技術(shù)的角度來看，數(shù)字孿生的技術(shù)體系是非常龐大的。它的感知、計(jì)算和建模過程，涵蓋了感知控制、數(shù)據(jù)集成、模型構(gòu)建、模型互操作、業(yè)務(wù)集成、人機(jī)交互等諸多技術(shù)領(lǐng)域，門檻很高。
數(shù)字孿生的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)際上是云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、3D建模、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及人工智能等ICT先進(jìn)技術(shù)綜合實(shí)力的博弈。
█數(shù)字孿生的應(yīng)用價(jià)值
從本質(zhì)上來說，數(shù)字孿生是一項(xiàng)借助數(shù)字空間孿生模型，對(duì)物理空間真實(shí)本體進(jìn)行模擬的技術(shù)。
之所以要模擬，無非是兩個(gè)原因：
其一，物理本體的造價(jià)昂貴，試錯(cuò)成本太高，超過了承受能力。
其二，就是物理本體獨(dú)一無二，不支持物理復(fù)制，沒有試錯(cuò)的機(jī)會(huì)。
前面提到的美國空軍實(shí)驗(yàn)室和通用電氣公司，最早的數(shù)字孿生對(duì)象，就是造價(jià)昂貴的飛機(jī)及飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。
截至2018年，通用電氣就已經(jīng)積累開發(fā)了120萬個(gè)數(shù)字孿生體。根據(jù)他們自己的說法，他們已經(jīng)為每個(gè)引擎、每個(gè)渦輪、每臺(tái)核磁共振都創(chuàng)造了一個(gè)數(shù)字孿生體。
建立了數(shù)字孿生體之后，他們采集物理本體的運(yùn)行數(shù)據(jù)，放在孿生體上。然后，他們可以大膽創(chuàng)新，充分試錯(cuò)，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)改動(dòng)，進(jìn)行模擬仿真試驗(yàn)，觀察效果，從而判斷是否執(zhí)行實(shí)際產(chǎn)品的改動(dòng)。
這樣一來，試錯(cuò)的成本和風(fēng)險(xiǎn)大幅下降，也縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期。
什么樣的系統(tǒng)，是獨(dú)一無二、不支持物理復(fù)制的呢？
當(dāng)然是那種大型的、真實(shí)的、公共的、正在使用的系統(tǒng)。大家應(yīng)該都想到了，我們每天生活著的城市，就是這樣的一個(gè)系統(tǒng)。
城市是極為復(fù)雜的。在城市里，有百萬甚至千萬級(jí)的人口，有不計(jì)其數(shù)的建筑、車輛，還有交織密布的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)（道路、水電煤氣、通信）。
我們沒有辦法直接在城市里做試驗(yàn)，也沒辦法復(fù)制一個(gè)物理城市來做試驗(yàn)。所以，我們需要借助數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)數(shù)字空間的虛擬城市，進(jìn)行仿真、試驗(yàn)和試錯(cuò)，提升城市的管理和運(yùn)營效率。
█數(shù)字孿生賦能智慧交通
交通是一個(gè)城市最重要的功能之一。我們以騰訊數(shù)字孿生平臺(tái)為例，詳細(xì)看一下數(shù)字孿生技術(shù)是如何賦能智慧交通行業(yè)應(yīng)用的。
首先，我們看看城市交通數(shù)字孿生體的搭建。
騰訊利用城市級(jí)三維重建技術(shù)，基于自己的高精度地圖數(shù)據(jù)，可以真實(shí)還原出整個(gè)城市的樓宇、道路等主體要素。然后，是樹木綠化、公交站臺(tái)、交通標(biāo)記、交通標(biāo)線等靜態(tài)元素。
靜態(tài)元素有了，車輛、行人等動(dòng)態(tài)元素怎么辦？難道像電腦游戲里面一樣，隨機(jī)生成？
當(dāng)然不是。
數(shù)字孿生平臺(tái)是通過路測(cè)攝像頭，實(shí)時(shí)采集真實(shí)道路監(jiān)控中的影像，檢測(cè)和感知各個(gè)目標(biāo)（車輛、行車等），然后將目標(biāo)數(shù)據(jù)“提取”出來，模型化之后，同步融入到數(shù)字孿生環(huán)境中。
這樣一來，才算真正實(shí)現(xiàn)了真實(shí)路面交通和虛擬環(huán)境的深度融合。實(shí)時(shí)交通流大數(shù)據(jù)，在數(shù)字空間被真實(shí)還原了。
在整個(gè)城市的大規(guī)模車道級(jí)實(shí)時(shí)仿真下，交通流數(shù)據(jù)可以像我們使用地圖導(dǎo)航APP一樣，通過顏色（交通熱力圖），進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。城市交通的擁堵情況，一覽無余。
交通數(shù)字孿生體搭建完成之后，我們站在上帝視角，可以做的事情就很多了。
首先，我們可以進(jìn)行特殊情況下的交通車流變化推演。模擬出現(xiàn)交通事故，或主辦大型賽事或演出，觀察車流的變化，考驗(yàn)交通路網(wǎng)的承受能力，為城市交通主管部門制定應(yīng)急預(yù)案提供決策依據(jù)。
其次，可以模擬交通信號(hào)燈的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，為管理部門優(yōu)化交通管理調(diào)度提供技術(shù)支持。
還有，基于虛擬環(huán)境，為救護(hù)車、消防車等緊急車輛提供路線動(dòng)態(tài)規(guī)劃，挽救生命。
在數(shù)字孿生環(huán)境中，騰訊還引入了游戲引擎相關(guān)技術(shù)，自由模擬各種天氣狀態(tài)，評(píng)估天氣對(duì)交通路網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)能帶來的影響，提前做好災(zāi)害天氣環(huán)境下的應(yīng)急預(yù)案。
值得一提的是，交通數(shù)字孿生平臺(tái)并不是封閉的。它可以對(duì)合作伙伴開放低成本低門檻的API接口，方便他們進(jìn)行業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成調(diào)用，做大做強(qiáng)交通產(chǎn)業(yè)生態(tài)。
除了城市交通之外，城際高速公路也是交通數(shù)字孿生的重要應(yīng)用場(chǎng)景。
在這個(gè)場(chǎng)景中，數(shù)字孿生技術(shù)強(qiáng)調(diào)的是主動(dòng)運(yùn)營，也就是把整個(gè)高速公路管理起來。
通過ETC、攝像頭、車聯(lián)網(wǎng)終端、RSU（路側(cè)單元）、蜂窩基站甚至衛(wèi)星，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。通過云端或現(xiàn)場(chǎng)MEC（邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)），可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算和處理。
對(duì)于高速公路的管理部門來說，基于感知到的車流、路面、天氣、事故數(shù)據(jù)，可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)高速公路全要素全時(shí)空的主動(dòng)安全式精細(xì)管控，例如車道級(jí)定位及引導(dǎo)，動(dòng)態(tài)路徑編排，交通基礎(chǔ)設(shè)施調(diào)控，等等。
對(duì)于駕駛員來說，交通數(shù)字孿生技術(shù)具備準(zhǔn)確率達(dá)到95%的精準(zhǔn)感知能力，以及300ms端到端時(shí)延的通信能力。它可以將異常事件告警以視覺和聲音的方式，發(fā)送到駕駛員的孿生終端上，提高駕駛員的安全通行能力。
尤其是在惡劣天氣（例如大霧、暴雨等）以及黑夜情況下，駕駛員的視線受阻，可以通過孿生駕駛員端獲取實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的周邊路況情況。
基于交通數(shù)字孿生技術(shù)，系統(tǒng)還可以為車主提供LBS伴隨式服務(wù)，將服務(wù)通過微信、地圖App等方式，推送給車主，改善駕乘體驗(yàn)。
交通數(shù)字孿生技術(shù)的另外一個(gè)顯著特點(diǎn)，是可計(jì)算能力。
它主要體現(xiàn)在仿真預(yù)測(cè)的道路交通可計(jì)算和空間可計(jì)算能力。通過仿真預(yù)測(cè)，可以預(yù)知未來1個(gè)小時(shí)的交通流狀況，支撐不同交通管理場(chǎng)景的應(yīng)急預(yù)案仿真，為決策者提供科學(xué)量化的決策依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。
最后再說說現(xiàn)在很火的無人駕駛。
無人駕駛是智慧出行的一個(gè)終極發(fā)展方向。目前，各大廠商都在積極進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研究和測(cè)試。
然而，想要實(shí)現(xiàn)無人駕駛技術(shù)的普及，最重要的一點(diǎn)，就是行駛數(shù)據(jù)的海量測(cè)試和學(xué)習(xí)。但是，目前的法律法規(guī)，以及路況條件，并不允許無人駕駛車輛隨意進(jìn)入真實(shí)道路環(huán)境進(jìn)行測(cè)試。
這時(shí)，數(shù)字孿生環(huán)境就可以發(fā)揮作用了。
基于數(shù)字孿生環(huán)境，可以自由組合構(gòu)建自動(dòng)駕駛測(cè)試環(huán)境，在云端實(shí)現(xiàn)城市級(jí)云仿真環(huán)境的并行加速測(cè)試，而且是7×24小時(shí)不間斷測(cè)試，每天可以測(cè)試1000萬公里。
這對(duì)于無人駕駛技術(shù)來說，簡(jiǎn)直就是福音。無人駕駛技術(shù)的開發(fā)周期可以大幅縮短，加速普及落地。
█結(jié)語
總而言之，數(shù)字孿生作為一項(xiàng)“虛實(shí)結(jié)合”的數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)，正在各個(gè)領(lǐng)域加速落地。產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的時(shí)代浪潮，更是推動(dòng)了它的價(jià)值爆發(fā)。
未來的一百年，人類如果想要實(shí)現(xiàn)更大的野心，以數(shù)字孿生為代表的虛擬空間技術(shù)，將是重要的工具和場(chǎng)景。
數(shù)字孿生到底還有多大的潛力？讓我們拭目以待吧！
