數(shù)字孿生，英文名叫Digital Twin（數(shù)字雙胞胎），簡單來說，就是在一個設(shè)備或系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造一個數(shù)字版的“克隆體”。上一期的“前沿分享”，我們整理了之江實驗室高級研究員華煒在“新基建”空中沙龍慧活動中的分享內(nèi)容，對數(shù)字孿生的概念、起源和價值作了科普解讀。本期的“前沿分享”，將為大家重點介紹數(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)框架可分為三個層次，即數(shù)據(jù)接入層、計算仿真層和應(yīng)用層。
第一個層次是數(shù)據(jù)接入層，主要指通過靜態(tài)建模和動態(tài)感知來獲取數(shù)據(jù)，構(gòu)建一個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)，如對城市環(huán)境的靜態(tài)部分進行建模；第二類是動態(tài)感知，這是比較關(guān)鍵的一點。動態(tài)感知的發(fā)展，實際得益于物聯(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、及時地實現(xiàn)對客觀環(huán)境的狀態(tài)感知。
第二層是計算仿真層，主要包含挖掘分析和仿真預(yù)測兩方面，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，要對靜態(tài)和動態(tài)感知所獲取數(shù)據(jù)的初級模型進行深入挖掘，建立更高層的知識模型，即發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律、分布和關(guān)聯(lián)，獲取出更高層語義的知識。另一方面，利用這些知識去做仿真演算，從而能夠為上層應(yīng)用實現(xiàn)——通過現(xiàn)實的把握來預(yù)測未來。
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)實中，一系列改造現(xiàn)實世界的步驟可以認為是一種執(zhí)行策略，或是看成一種決策。通過應(yīng)用數(shù)字孿生系統(tǒng)，可以在多個平行世界中通過推演來驗證我們的策略和決策是否合理，再進一步利用各類智能優(yōu)化技術(shù)，不斷迭代改進策略和決策，最后再通過控制系統(tǒng)來實施策略和決策，影響改變現(xiàn)實世界的Physical Twin（物理雙胞胎），從而構(gòu)成“感覺-決策-控制-感知”——物理與數(shù)字的孿生世界之間信息流動閉環(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)合實際場景闡釋了數(shù)字孿生技術(shù)在提升無人駕駛訓(xùn)練效率、助力交通事故分析和交通管控等方面的應(yīng)用價值。
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提升無人駕駛訓(xùn)練效率
目前，之江實驗室融合智能研究中心正在開展智能無人駕駛虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)研究，為無人車駕駛算法的道路駕駛安全性和智能駕駛能力提供開放型的虛擬測試與訓(xùn)練平臺。該項目的目標(biāo)是把現(xiàn)實交通場景在數(shù)字空間中復(fù)現(xiàn)，通過泛化衍生技術(shù)為無人車營造一些極端環(huán)境和臨界的高危場景，大幅提升無人駕駛訓(xùn)練的效率。
基于對靜態(tài)、動態(tài)數(shù)據(jù)的感知，我們可以構(gòu)建數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)基于孿生數(shù)據(jù)的情景再現(xiàn)，幫助無人車進行虛擬測試和訓(xùn)練。但僅對場景高逼真的數(shù)字孿生是不夠的，更重要的是對孿生場景進行衍生和泛化，不斷豐富無人車的測試場景。衍生泛化是數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)鍵，既要來源于現(xiàn)實，也要高于現(xiàn)實，對現(xiàn)實情況做出一些變化。之江實驗室在系統(tǒng)開發(fā)中也基于孿生場景進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。舉個情景案例泛化的例子，我們對大卡車軋人的事故場景進行仿真，但做好模型之后就是一個固定的場景，即車輛在固定時間到達固定位置。這時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場景較為相似又有所不同。
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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)事故場景環(huán)境以及交通參與者的軌跡后，就可以從多個視角去觀察事故發(fā)生的過程。通過定格處理，可以從車內(nèi)視角發(fā)現(xiàn)，卡車司機實際完全看不到有人騎著自行車經(jīng)過。因此，數(shù)字孿生技術(shù)在交通事故分析場景下有很大的應(yīng)用價值，能夠幫助追溯、分析事故發(fā)生的具體原因，找到責(zé)任人。
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交通管控
運用數(shù)字孿生技術(shù)，模擬出城市交通的狀況，再通過評估推演來優(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)用場景。其主要涉及四個層面的功能：
一是監(jiān)控和發(fā)現(xiàn)。通過數(shù)字孿生系統(tǒng)，可以構(gòu)建一個信息獲取及控制的閉環(huán)，實現(xiàn)全程掌控。更重要的是，在一個非常龐大復(fù)雜的場景中，能夠及時發(fā)現(xiàn)一些關(guān)鍵問題并及時做出處理。比如，進入秋冬季節(jié)，安徽高速部分路段團霧天氣多發(fā)，團霧具有能見度低、突發(fā)性強、氣象預(yù)報困難的特點，易引發(fā)交通事故。利用數(shù)字孿生技術(shù)，可以通過對動態(tài)感知數(shù)據(jù)進行實時檢測，及時發(fā)現(xiàn)團霧形成并提供警示。
二是推演和預(yù)測。在掌握數(shù)據(jù)后，可以對一些參與者構(gòu)建微觀行為模型，再通過對大量交通參與者Agent進行仿真計算，獲得宏觀的模擬結(jié)果，推演事態(tài)的發(fā)展，實現(xiàn)預(yù)測功能。
三是評估和優(yōu)化對策。通過大規(guī)模并行計算，可以同時評估多個平行世界的仿真結(jié)果。再通過強化學(xué)習(xí)等技術(shù)，不斷改進交通管控方案。
四是歷史追溯和復(fù)盤研究。當(dāng)一個事件發(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)生的全過程，探究當(dāng)時的每一步應(yīng)對是否做得足夠好，是否具備改進空間。這是數(shù)字孿生技術(shù)的一個特殊能力。
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數(shù)字孿生技術(shù)展望
首先，隨著5G、6G甚至更高級的通信技術(shù)的發(fā)展，加上端-邊-云的協(xié)同計算，可以提高數(shù)字孿生的實時性，甚至能夠不依賴高精地圖，實時地對未知領(lǐng)域進行建模。其次，通過改進行為仿真和預(yù)測算法，可以讓行為預(yù)測的推演更加精確，算力更強的話，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更多，場景也會更復(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，在實時決策、遠程操控個體方面，對整個孿生系統(tǒng)的要求會更高。比如數(shù)據(jù)能否實時、安全地傳輸?shù)皆贫撕秃蠖?，通過態(tài)勢感知，把操控命令再傳回到物理世界，這一過程要做得足夠快，而且更需要數(shù)據(jù)的傳輸過程安全可靠。融入?yún)^(qū)塊鏈等相關(guān)技術(shù)，是使得這一信息閉環(huán)過程實現(xiàn)安全可靠的一種可探索的解決方案。
