不管你知不知道，數(shù)字孿生確實(shí)火了。
以它為技術(shù)底座的智慧城市增長驚人，2016年的時(shí)候，全國有300多個(gè)城市在建設(shè)智慧城市；2019年，這個(gè)數(shù)字是500個(gè)；又過了一年，試點(diǎn)的城市有700座了。
"數(shù)字孿生"的名字起得中肯，把真實(shí)世界的物體投射到數(shù)字世界中，形成孿生體，用以觀測(cè)、甚至預(yù)測(cè)該物體的發(fā)展，這就是數(shù)字孿生。它被廣泛運(yùn)用在工業(yè)、智慧城市、智能物流等等領(lǐng)域。
舉個(gè)例子，假如把它用在健康領(lǐng)域，我們可能會(huì)戴上智能手環(huán)等數(shù)據(jù)采集設(shè)施，把身體數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)投射到系統(tǒng)中，系統(tǒng)自動(dòng)生成我們的3D模型。外貌、骨骼狀況、各個(gè)器官的健康狀況，通過數(shù)字3D模型都一覽無余。
當(dāng)然，"觀察"只是基礎(chǔ)，它最核心的作用是"推演"。假設(shè)國家的新冠疫苗還在實(shí)驗(yàn)階段，不確定是否對(duì)人有害，可以在系統(tǒng)中給虛擬的數(shù)字孿生體"注射"，數(shù)字孿生體模擬出身體的虛擬環(huán)境，最終推演出新冠疫苗是否安全。
受限于現(xiàn)有技術(shù)，驗(yàn)證藥物安全性當(dāng)然還沒有實(shí)現(xiàn)，但數(shù)字孿生技術(shù)在各領(lǐng)域全面開花，是不爭的事實(shí)。
會(huì)思考的城市、會(huì)主動(dòng)進(jìn)行效率優(yōu)化的工廠、不用實(shí)體車撞擊測(cè)試也能算出安全指數(shù)的汽車研發(fā)部門，數(shù)字孿生的應(yīng)用邊界突破想象?？此?玄乎"的技術(shù)，實(shí)際與我們的生活息息相關(guān)。
數(shù)字孿生：緣起航天航空，落腳各行各業(yè)
不少現(xiàn)今被廣泛使用的技術(shù)，都脫胎于航空航天領(lǐng)域。
比如GPS，來自于美國研制的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于民用定位；比如新型材料，應(yīng)用在宇航器上的蜂窩鋁，因防水防潮且質(zhì)輕的特性，被制作成衛(wèi)生間吊頂，走入千家萬戶。尖端科技的向下滲透，是生活水平提高的源動(dòng)力。
數(shù)字孿生技術(shù)同樣如此，它的落地應(yīng)用早于理論，首次實(shí)踐的是美國國家航空航天局。當(dāng)時(shí)，NASA制造了兩個(gè)完全一樣的空間飛行器，其中一個(gè)留在地球，用來投射并預(yù)測(cè)執(zhí)行任務(wù)的飛行器的狀態(tài)，輔助宇航員在緊急情況下做出正確決策。值得注意的是，當(dāng)時(shí)的"孿生體"還處于早期狀態(tài)，仍然是實(shí)物。
直到2003年時(shí)，邁克爾·格里夫斯提出了"虛擬孿生體"的概念，數(shù)字孿生技術(shù)才正式有了理論雛形，并開始把形象投射到虛擬世界中。
它很快在工業(yè)領(lǐng)域得到了運(yùn)用。較為簡單的應(yīng)用方式是，工廠建立虛擬裝配模型，讓工程師更好地了解已有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)。更深度一些的應(yīng)用方式，則需要介入得更早，在研發(fā)期就運(yùn)用數(shù)字孿生。比如ANSYS公司為通用電氣做的數(shù)字孿生體系，它把每個(gè)配件（渦輪、引擎等）都制作成數(shù)字孿生體，研發(fā)時(shí)先裝配出虛擬產(chǎn)品，并在虛擬空間進(jìn)行調(diào)試，確認(rèn)其各項(xiàng)參數(shù)符合預(yù)期，最后選出效率最佳的方案用在實(shí)體模型上。
在開模生產(chǎn)樣機(jī)之前，就能搞清楚設(shè)計(jì)模型的缺陷并完成升級(jí)，這大大釋放了研發(fā)的時(shí)間成本與資金成本。
（圖源《數(shù)字孿生》陳根，虛擬裝配模型，侵刪）
說到這里，或許你也發(fā)現(xiàn)了，數(shù)字孿生技術(shù)與CAD有些許相像，它們都有虛擬實(shí)體；但兩者絕不相同，數(shù)字孿生體是通過傳感器不斷采集并更新信息的，且它的核心點(diǎn)在于"計(jì)算出最優(yōu)方案"，降低決策成本，而非CAD所強(qiáng)調(diào)的外觀展示。
且不提功能，就單單從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度來看，數(shù)字孿生也要復(fù)雜得多，它是一個(gè)集云計(jì)算、數(shù)據(jù)采集、通信、人工智能等技術(shù)于一身的組織體。
一個(gè)數(shù)字孿生體系必須包含數(shù)據(jù)保障層、建模計(jì)算層、功能層、沉浸式體驗(yàn)層。具體說來，a)需要先通過傳感器完成數(shù)據(jù)采集，并且通過5G、光纖等方式完成數(shù)據(jù)傳輸。b)數(shù)據(jù)進(jìn)入建模層后，通過云計(jì)算完成處理。c)在功能層被包裝成符合企業(yè)/政府需求的、可落地的功能，比方說流水線各設(shè)備的壽命預(yù)估，在設(shè)備損毀前就觸發(fā)預(yù)警。d)體驗(yàn)層也就是交互界面，當(dāng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息非常龐大時(shí)，直觀可感的交互也需要謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)。
（圖源《數(shù)字孿生》陳根，數(shù)字孿生技術(shù)的模型，侵刪）
現(xiàn)今，這套系統(tǒng)正在加速落地，在多個(gè)行業(yè)中獲得青睞。以大火的物聯(lián)網(wǎng)為例，13%的物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)實(shí)施了數(shù)字孿生項(xiàng)目，還有62%的企業(yè)正在實(shí)施或有計(jì)劃實(shí)施；此外，它在智慧城市及工業(yè)領(lǐng)域的普及同樣迅速，波音777客機(jī)的研發(fā)就完全通過數(shù)字孿生進(jìn)行，300多萬個(gè)零部件，都靠數(shù)字仿真實(shí)現(xiàn)推演，研發(fā)周期縮短30%。
智慧城市雖好，但這些瓶頸還精準(zhǔn)卡在七寸
·相比過去，現(xiàn)在的智慧城市覆蓋領(lǐng)域更廣，與居民聯(lián)系更緊密
現(xiàn)今數(shù)字孿生最火的應(yīng)用領(lǐng)域，莫過于智慧城市。為此，各國都全力展開了競速。
韓國在2004年就提出了u-Korea發(fā)展戰(zhàn)略，它的設(shè)想是用無線傳感器，掌握停車場(chǎng)、地下管道等設(shè)施的狀態(tài)。當(dāng)時(shí)韓國供水系統(tǒng)的漏水率高達(dá)14.1%，通過傳感器實(shí)時(shí)追蹤滲漏情況后，漏水率大為降低，僅在供水系統(tǒng)上，這項(xiàng)革新平均每年為一座城市節(jié)約564萬美元。而u-環(huán)境系統(tǒng)，可以檢測(cè)空氣質(zhì)量，并自動(dòng)開啟道路灑水系統(tǒng)。
2007～2009年期間，一波智慧城市的嘗試接連涌現(xiàn)。美國IBM和迪比克市宣布共建美國首座智慧城市，它很快為全市更換了數(shù)控水電計(jì)量器；歐盟提出智慧城市建設(shè)目標(biāo)；澳大利亞開啟智慧電網(wǎng)改造，希望能快速定位到電力故障的發(fā)生地點(diǎn)。
假如我們來復(fù)盤這個(gè)階段的智慧城市項(xiàng)目，會(huì)發(fā)現(xiàn)它們所嘗試的領(lǐng)域依然較為單一，運(yùn)用方式也較為簡單。主要集中在排水管網(wǎng)、電網(wǎng)、燃?xì)夤芫W(wǎng)、路燈等市政設(shè)施的管理，通過計(jì)算來分析已產(chǎn)生的故障，定位故障點(diǎn)，并派專員處理。
（城市路燈體系，圖源版權(quán)共享網(wǎng)站Pexels）
2010年后，智慧城市的發(fā)展進(jìn)入新階段。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，智慧城市的覆蓋廣度增加，交通效率優(yōu)化、尋人成為核心發(fā)力點(diǎn)；從使用技術(shù)來看，自動(dòng)駕駛、人臉識(shí)別、AI技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，因數(shù)據(jù)采集與云計(jì)算基礎(chǔ)建設(shè)的完善，推演能力也有了大幅進(jìn)步。
比如說百度主打的智能紅綠燈項(xiàng)目，感知到擁堵情況后，自動(dòng)調(diào)整紅綠燈時(shí)長，大約能節(jié)約30%左右的交通延誤時(shí)間。
此外，新階段的智慧城市還有一個(gè)重要特征——2010年后4G爆發(fā)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展讓更多用戶觸網(wǎng)，也因此智慧城市可以直接輻射C端用戶。如果說此前智慧城市的嘗試依然是在封閉系統(tǒng)中的，只能做到電網(wǎng)檢測(cè)等，這個(gè)階段它被賦予了更多民生需求。
京東數(shù)科與首鋼基金S-PARK合作推出的"智能停車系統(tǒng)"sonic，就將大興機(jī)場(chǎng)的停車場(chǎng)資源映射到了數(shù)字孿生體上，并實(shí)時(shí)將用戶引導(dǎo)至閑置停車位。此外各類政務(wù)小程序也被開發(fā)出來，居民可直接在線上完成政務(wù)事務(wù)的辦理。
·但智慧城市的落地依然不夠理想，它面臨嚴(yán)重的協(xié)同問題，以及資金問題。
盡管功能相當(dāng)美好，但智慧城市的落地其實(shí)沒那么容易。
落地過程中，協(xié)同問題相當(dāng)嚴(yán)重，企業(yè)首先得搞清楚，找哪個(gè)政府部門對(duì)接?，F(xiàn)在對(duì)接的管理部門五花八門，有的在規(guī)劃建設(shè)部門，有的在發(fā)展改革部門，有的在工業(yè)和信息化部門，各部門對(duì)技術(shù)與業(yè)務(wù)的理解都有不同。
就算找到對(duì)接部門，打通數(shù)據(jù)也絕不容易。根據(jù)研究員金江軍的說法，我國電子政務(wù)系統(tǒng)建設(shè)先縱后橫、縱強(qiáng)橫弱，而縱向信息系統(tǒng)建設(shè)又沒有給地市、區(qū)縣留數(shù)據(jù)接口。結(jié)果是，很多數(shù)據(jù)落在上級(jí)部門（省里或國家部委），真正去落地智慧城市的地市、區(qū)縣，反而缺少核心數(shù)據(jù)。各層級(jí)、各部門各搞一套CIM系統(tǒng)的現(xiàn)象同樣常見，煙囪林立，數(shù)據(jù)難打通，兼且系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)嚴(yán)重。
也有一些企業(yè)搞定了前期的一切，在落地時(shí)，發(fā)現(xiàn)成本比預(yù)想的超出太多。智慧城市需要為每個(gè)項(xiàng)目搭建團(tuán)隊(duì)，等到落地時(shí)，產(chǎn)品測(cè)試還得駐扎當(dāng)?shù)夭粩嗾{(diào)試改進(jìn)。智慧城市系統(tǒng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法做成標(biāo)品，按需定制背后需要整個(gè)團(tuán)隊(duì)做水磨工夫。
·技術(shù)層面，虛擬實(shí)體精細(xì)度受限。
現(xiàn)在，智慧城市面臨的一大困境是虛擬實(shí)體的精細(xì)度顯著不足。數(shù)字孿生的第一層就是數(shù)據(jù)保障層，但受限于技術(shù)或成本，傳感器很多時(shí)候還做不到對(duì)城市數(shù)據(jù)的全域感知。而相比于航天航空、工業(yè)領(lǐng)域，城市的版圖幾何級(jí)增長，精細(xì)化尺度的城市數(shù)據(jù)采集，自然難上加難。
舉個(gè)例子，假如智慧城市想建立小區(qū)級(jí)路網(wǎng)，并準(zhǔn)確區(qū)分哪些路可供電瓶車行駛、哪些路僅限步行，這個(gè)路網(wǎng)該如何建立？倘若派出員工去每個(gè)小區(qū)測(cè)繪，人力成本會(huì)非常大，數(shù)據(jù)也做不到實(shí)時(shí)更新；但傳感器所提供的數(shù)據(jù)，很可能僅止于"城市中人的移動(dòng)數(shù)據(jù)"，而且GPS數(shù)據(jù)還有可能有0～15米的偏差。
想要解決，要么優(yōu)化傳感器，讓基礎(chǔ)數(shù)據(jù)就自行區(qū)分是何種路面（這在現(xiàn)在是不可能的）；要么研發(fā)獨(dú)特算法來解決。
這種數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用層面的困境還有不少，但總體類似，要么由于傳感器數(shù)量限制或損壞，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的量和精確度不夠；要么數(shù)據(jù)種類不同，很難直接處理并生成想要的結(jié)果。同樣的問題，還發(fā)生在交通流、能耗等數(shù)據(jù)的采集與處理中。虛擬環(huán)境是地基，它的不完善會(huì)導(dǎo)致后續(xù)的模擬推演、人工智能決策被局限。
沖擊瓶頸，技術(shù)、硬件領(lǐng)域迎來這些突破
目前智慧城市所面臨的現(xiàn)實(shí)問題里，政務(wù)協(xié)同需依靠頂層設(shè)計(jì)推動(dòng)，目前國家正著力避免數(shù)據(jù)孤島與系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)，提高協(xié)同效率。
而數(shù)據(jù)的采集與處理，還需企業(yè)來實(shí)現(xiàn)突破；此外，硬件的建設(shè)，也有助于整個(gè)產(chǎn)業(yè)的長期發(fā)展，目前國內(nèi)已有相關(guān)的進(jìn)步案例。
①技術(shù)突破-京東數(shù)科時(shí)空數(shù)據(jù)處理
還是回歸"虛擬實(shí)體精細(xì)度受限"的問題，其中小區(qū)等非主干道的路徑優(yōu)化，已經(jīng)被京東的時(shí)空大數(shù)據(jù)引擎——JUST所攻克。
所謂時(shí)空數(shù)據(jù)，是企業(yè)比較容易獲得的脫敏終端數(shù)據(jù)，它會(huì)包括兩個(gè)要素，終端的空間地理位置與時(shí)間，它們疊加在一起形成了行動(dòng)軌跡。這些終端軌跡是海量的，要將其處理成功能明確的路網(wǎng)地圖并不容易，JUST引擎會(huì)用"專有AI算法"過濾掉誤差數(shù)據(jù)，然后對(duì)軌跡分段，提煉其中的有效部分。最后再用特征抽取、軌跡數(shù)據(jù)道路轉(zhuǎn)換、中心線提取、路網(wǎng)整合和精細(xì)化的數(shù)據(jù)處理等手段，完成一張顆粒度極細(xì)的小區(qū)路網(wǎng)。
由于它是根據(jù)終端數(shù)據(jù)繪制而成，當(dāng)小區(qū)進(jìn)行路面維修，導(dǎo)致路網(wǎng)變化時(shí)，它也能很快更新出新的路徑，符合數(shù)字孿生體對(duì)實(shí)時(shí)更新的要求。
除了京東數(shù)科之外，其它企業(yè)同樣在數(shù)據(jù)采集、處理領(lǐng)域做了不少努力，目前較為成熟的是客流數(shù)據(jù)、物流數(shù)據(jù)、車流數(shù)據(jù)等的運(yùn)用。
②硬件突破-雄安新區(qū)建設(shè)超算云
雄安新區(qū)是智慧城市的一個(gè)標(biāo)桿，中國移動(dòng)中標(biāo)后對(duì)它進(jìn)行了全面的改造。
它已落地的主要成就是完成了"城市物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一開放平臺(tái)"的建設(shè)，在去年已經(jīng)進(jìn)入試運(yùn)行階段。這個(gè)平臺(tái)接入了新區(qū)的水、電、氣、熱、道路交通、建筑的感知設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一觀測(cè)。末端設(shè)備的功能也集成得相當(dāng)全面，單說路燈，就肩負(fù)著安防監(jiān)控等9項(xiàng)功能。
中國移動(dòng)完成了城市基礎(chǔ)設(shè)施的管控，中國電信又開始推動(dòng)底層算力的躍進(jìn)。智慧雄安所區(qū)別于其它城市的，是超算云的建設(shè)，它由中國電信與雄安合作開發(fā)，占地45畝，預(yù)計(jì)在2022年投產(chǎn)運(yùn)營。
在國內(nèi)公有云商用成熟的背景下，政府與企業(yè)都能較為輕松地獲得無限算力，但它的原理本質(zhì)上是把計(jì)算任務(wù)分配給不同服務(wù)器處理，中間會(huì)產(chǎn)生通信時(shí)延。而超算云將超級(jí)計(jì)算機(jī)上云，在高性能計(jì)算上更有優(yōu)勢(shì)，適合處理數(shù)據(jù)密集型計(jì)算任務(wù)。
智慧城市產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是海量的，而雄安打算打造一個(gè)"邊緣計(jì)算、云計(jì)算、超算"相結(jié)合的計(jì)算體系，滿足計(jì)算需求，在硬件建設(shè)層面形成突破。
尾聲：數(shù)字孿生未來還有哪些可能性？
脫離智慧城市領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)在其它行業(yè)內(nèi)也有了不少新興應(yīng)用方式。
比如達(dá)索，它主要服務(wù)于飛機(jī)制造商，除了對(duì)產(chǎn)品本身建模，它把其原材料也數(shù)字化了，使用者可以更好地體驗(yàn)不同的外部環(huán)境給產(chǎn)品帶來的變化，對(duì)波音等公司而言，堪稱實(shí)用利器。
現(xiàn)今數(shù)字孿生技術(shù)依然運(yùn)用于2B領(lǐng)域，隨著新技術(shù)的突破，說不定在幾十年后，它會(huì)將部分?jǐn)?shù)據(jù)開放，并用于個(gè)人娛樂。
未來的某一天，或許我們可以靠著數(shù)字孿生技術(shù)環(huán)游世界。戴上一副VR眼鏡，直接"空降"到虛擬孿生體中的冰島，傳感器采集到的圖片信息實(shí)時(shí)傳輸過來，我能看到橘紅的夕陽在堆滿藍(lán)冰的沙灘徐徐落下。
（用VR感受世界，圖源版權(quán)共享網(wǎng)站Pexels）
要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)"美夢(mèng)"，暫且要等VR、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)有跨時(shí)代突破。
無論如何，數(shù)字孿生已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一次又一次的版圖升級(jí)——單個(gè)物體-工廠流水線-整個(gè)城市——那么未來出現(xiàn)"全球虛擬副本"，也并非遙不可及。
