數(shù)字孿生技術(shù)是如何『上位』的？

    如果一個(gè)系統(tǒng)能實(shí)時(shí)呈現(xiàn)城市的“脈搏”，是不是非�？犰�？

    Gartner十大被期待的技術(shù)之一，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)皇冠上的明珠，數(shù)十億市場(chǎng)規(guī)模，由工業(yè)場(chǎng)景邁向城市，GE、西門(mén)子、微軟、阿里巴巴重點(diǎn)布局——這就是數(shù)字孿生（Digital Twin）的基本面。

    2019年以來(lái)有兩次A股熱炒的概念，一是邊緣計(jì)算，另一個(gè)就是數(shù)字孿生，多支相關(guān)股票出現(xiàn)漲停。

    尤其是當(dāng)波音737MAX8型飛機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重墜毀事故以及法國(guó)巴黎圣母院被焚毀，圍繞數(shù)字孿生技術(shù)的討論更是掀起高潮。

    從資本投入力度上看，中國(guó)智慧城市技術(shù)相關(guān)投資達(dá)到 208 億美元（僅次于美國(guó)）。

    而數(shù)字孿生城市的提出，無(wú)疑為智慧城市建設(shè)注入了新的活力：帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)研發(fā)投入，促進(jìn)地方政府加大對(duì)智慧城市的建設(shè)投資。

    目前來(lái)看，大廠入局，工業(yè)場(chǎng)景啟用，但整體賽道還略顯稚嫩，各路玩家仍處在探索自己技術(shù)和商業(yè)法則的建立階段，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)到到實(shí)力PK的競(jìng)爭(zhēng)期。

    畢竟，這一概念被引進(jìn)國(guó)內(nèi)才幾年時(shí)間，距離廣泛應(yīng)用還比較早期，智慧城市主賽道是城市大腦及各種城市級(jí)應(yīng)用，包括數(shù)字政府。

    數(shù)字孿生將會(huì)是一塊有著巨大利益點(diǎn)的蛋糕，非常之誘人。

    緣起空間探索，后進(jìn)入國(guó)防工業(yè)

    數(shù)字孿生這一概念誕生在美國(guó)，時(shí)間在2002年，提出者是密歇根大學(xué)教授Dr. Michael Grieves。

    他在一篇文章中首次提到“Digital Twin”，并認(rèn)為通過(guò)物理設(shè)備的數(shù)據(jù)，可以在虛擬（信息）空間構(gòu)建一個(gè)可以表征該物理設(shè)備的虛擬實(shí)體和子系統(tǒng)，并且這種聯(lián)系不是單向和靜態(tài)的，而是在整個(gè)產(chǎn)品的生命周期中都聯(lián)系在一起。

    而將這種理念付諸實(shí)踐的則是NASA，比如為其阿波羅計(jì)劃開(kāi)發(fā)了兩種相同的太空飛行器，以反映地球上太空的狀況，進(jìn)行訓(xùn)練和飛行準(zhǔn)備。

    洛克希德·馬丁公司視數(shù)字孿生為未來(lái)國(guó)防工業(yè)6大頂尖技術(shù)之首，美國(guó)GE（通用）公司已為每個(gè)引擎、每個(gè)渦輪、每臺(tái)核磁共振創(chuàng)造了一個(gè)數(shù)字孿生體，通過(guò)這些擬真的數(shù)字化模型，在虛擬空間調(diào)試、實(shí)驗(yàn)，以讓機(jī)器的運(yùn)行效果達(dá)到最佳。

    此前，Gartner發(fā)布了2019年十大戰(zhàn)略性技術(shù)趨勢(shì)，這些趨勢(shì)并非概念技術(shù)，而是已經(jīng)有了決定性的突破，將發(fā)展成更廣泛的應(yīng)用，其高度波動(dòng)性在未來(lái)五年內(nèi)達(dá)到臨界點(diǎn)。

    這些趨勢(shì)中包括人工智能、數(shù)字孿生、邊緣計(jì)算、量子計(jì)算、沉浸式技術(shù)、區(qū)塊鏈、智能空間等，同時(shí)這些技術(shù)之間的聯(lián)系越來(lái)越緊密。

    Gartner Fellow兼副總裁David Cearley認(rèn)為，無(wú)處不在的智能設(shè)備提供各種基于大數(shù)據(jù)的貼心服務(wù)，將是科技的未來(lái)。Gartner稱(chēng)之為Intelligent Digital Mesh。

    何為數(shù)字孿生？ 以虛控實(shí)的仿真過(guò)程

    對(duì)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的人士來(lái)說(shuō)，數(shù)字孿生一詞已經(jīng)是老生常談。

    根據(jù)國(guó)際統(tǒng)一的定義，數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。

    理解下來(lái)，數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)實(shí)的概念，可以被視為一個(gè)或多個(gè)重要的、彼此依賴(lài)的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。

    工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是絕對(duì)的第一大場(chǎng)景，比如機(jī)器安裝、產(chǎn)線安裝，建立一個(gè)生產(chǎn)環(huán)境的虛擬版本，整個(gè)環(huán)境都是要用數(shù)字化的方式來(lái)描述。這迎合的是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)數(shù)字化大背景。

    在該技術(shù)之下，工程師不僅能看到產(chǎn)品外部變化，更使內(nèi)部零件動(dòng)態(tài)的觀察成為可能。例如，通過(guò)數(shù)字3D模型，我們可以看到汽車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的每一個(gè)零部件、線路、各種接頭的每一次變化，從而可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。

    目前主流的西門(mén)子、GE、施耐德等廠商早已在使用這套技術(shù)來(lái)優(yōu)化工業(yè)流程。

    一直以來(lái)，有個(gè)“工業(yè)領(lǐng)域 1%的革命”說(shuō)法：生產(chǎn)效率提升1%，成本減少300億。

    這可以通過(guò)GE公司的 245000美元的故事說(shuō)起。

    在GE的工廠里，發(fā)電廠的汽輪機(jī)推力軸承改變了位置，使汽輪機(jī)的軸向位移從-0.29 mm變?yōu)?0.445mm。這個(gè)移動(dòng)量等于單個(gè)睫毛的寬度，并且仍在安全的操作參數(shù)范圍內(nèi)。但是，汽輪機(jī)要承受極端的溫度、壓力和作用力，即使微小的變化也可能造成巨大的損失。

    但是在沒(méi)有干預(yù)的情況下，止推軸承將繼續(xù)移動(dòng)，軸向位移繼續(xù)移動(dòng)。等到工廠控制中心響起警報(bào)并發(fā)現(xiàn)偏差時(shí)，損壞已經(jīng)造成：渦輪機(jī)必須脫機(jī)、零件將需要更換、電力生產(chǎn)數(shù)據(jù)將丟失。電力生產(chǎn)商的總成本是 245000美元。

    幸運(yùn)的是，對(duì)于電力生產(chǎn)商來(lái)說(shuō)，這是他們不必支付的成本。

    位于巴黎的GE 數(shù)字工業(yè)管理服務(wù)中心的工程師使用汽輪機(jī)的“數(shù)字孿生系統(tǒng)”觀察到了偏差，并進(jìn)行了提前預(yù)測(cè)，確保巨大損失無(wú)從發(fā)生。

    截至2018年，GE已經(jīng)擁有120萬(wàn)個(gè)數(shù)字孿生體，可以處理300000種不同類(lèi)型的設(shè)備資產(chǎn)。此外，據(jù)Gartner稱(chēng)：

    “到2021年，一半的大型工業(yè)公司將使用數(shù)字孿生，從而使這些組織的有效性提高10%�！�

    細(xì)想，這將是巨大的開(kāi)支節(jié)省，也相當(dāng)于是變相盈利了。在國(guó)內(nèi)，樹(shù)根互聯(lián)、研華科技、軟通動(dòng)力等均在布局。

    城市如何用上“數(shù)字孿生”？

    對(duì)于一項(xiàng)技術(shù)而言，城市場(chǎng)景更加宏大，從工業(yè)走向城市場(chǎng)景是必然。

    據(jù)預(yù)測(cè)，到2022年，85％的IoT平臺(tái)將使用某種數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控，少數(shù)城市將率先利用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行智慧城市的管理。

    Bentley Systems這家公司位于美國(guó)，是目前業(yè)內(nèi)比較活躍的數(shù)字孿生廠商，他們目前正在努力使其數(shù)字孿生云服務(wù)從基礎(chǔ)設(shè)施工程“爬坡”到整個(gè)城市規(guī)模。

    該公司的CEO Greg Bentley說(shuō)：

    “這最終為所有者開(kāi)放了他們以前的工程技術(shù)和數(shù)據(jù)（ET），并與傳統(tǒng)信息技術(shù)（IT）和新連接的操作技術(shù)（OT）聯(lián)合�！�

    言外之意是，對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施專(zhuān)業(yè)人員（包括現(xiàn)實(shí)網(wǎng)格、地形模型、圖像和GIS源）來(lái)說(shuō)，建筑信息建模（BIM）和地理信息系統(tǒng)（GIS）通過(guò)4D數(shù)字孿生模型得到了有效的推進(jìn)。

    這是一種典型的細(xì)分場(chǎng)景與城市場(chǎng)景結(jié)合的可能性。

    你可能不信，在印度，安得拉邦（Andhra Pradesh）的首府海得拉巴建立了當(dāng)?shù)氐谝粋�(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)，使當(dāng)?shù)卣�府官員能夠管理許可程序、監(jiān)視施工進(jìn)度并評(píng)估設(shè)計(jì)計(jì)劃，使他們能夠了解諸如建筑物如何響應(yīng)高溫高濕氣候等事宜。

    新加坡為其“虛擬新加坡”（Virtual Singapore）項(xiàng)目投資了7300萬(wàn)美元，建成之后，這將是一個(gè)權(quán)威的數(shù)字三維城市模型和數(shù)據(jù)協(xié)作平臺(tái)，可以被政府機(jī)構(gòu)，企業(yè)和研究人員用作測(cè)試平臺(tái)，以建設(shè)更具彈性的城市。

    虛擬新加坡

    在國(guó)內(nèi)從業(yè)人員看來(lái)，數(shù)字孿生主要在地理信息這個(gè)行業(yè)發(fā)生催化作用，比如用無(wú)人機(jī)群為城市提供基于圖像掃描的城市數(shù)字模型，街道、社區(qū)、娛樂(lè)、商業(yè)等各功能模塊都將擁有數(shù)字模型。

    這個(gè)當(dāng)前部分城市已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。 比如深圳市從 2018 年 12 月開(kāi)始就啟動(dòng)了全市的虛擬城市環(huán)境數(shù)據(jù)采集工作，總共分一期和二期兩個(gè)階段，一期是從 2018 年 12 月開(kāi)始，二期是從 2019 年 4 月份開(kāi)始，預(yù)計(jì)將在今年年底完成相關(guān)工作。

    這種模式下，數(shù)字化將進(jìn)入電力線、變電站、污水系統(tǒng)、供水和排水系統(tǒng)、城市應(yīng)急系統(tǒng)、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、高速公路、交通控制系統(tǒng)等所有看見(jiàn)或看不見(jiàn)的地方，而城市管理將更加輕松可控。

    比如說(shuō)正在構(gòu)建智慧綠色的雄安，有一個(gè)物理的、肉眼可見(jiàn)的雄安；背后的物理系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)里面，還有一個(gè)和它一一對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生的雄安的模型。

    悉尼新南威爾士大學(xué)（UNSW Sydney）建筑環(huán)境學(xué)院教授、《太陽(yáng)能光伏建筑設(shè)計(jì)》一書(shū)的作者德奧·普拉薩德（Deo Prasad）在接受雷鋒網(wǎng)專(zhuān)訪時(shí)提到，智能技術(shù)什么時(shí)候走到發(fā)揮作用的“臨界點(diǎn)”？也就是數(shù)字孿生城市到來(lái)的那天。

    “現(xiàn)在的做法是想完就動(dòng)工，未來(lái)可能能夠在這個(gè)城市三維的數(shù)字孿生模型上先模擬一下。而智慧城市如果無(wú)利可圖，也不能創(chuàng)造新價(jià)值，肯定是沒(méi)有辦法做下去的�，F(xiàn)在這個(gè)行業(yè)的全球產(chǎn)值是1萬(wàn)億美元，中國(guó)有很多智慧城市的產(chǎn)品早就已經(jīng)在全球行銷(xiāo)了，而且也掙到錢(qián)了�！�

    他覺(jué)得數(shù)字孿生對(duì)于城市場(chǎng)景下的效率提升，是最重要的價(jià)值。

    賽道里的玩家：巨頭與初創(chuàng)“并軌”

    時(shí)至今日，數(shù)字孿生除了在工廠中實(shí)際應(yīng)用，這項(xiàng)技術(shù)也正在讓科技公司為之“著魔”。

    比如Amazon、微軟、Google、蘋(píng)果和阿里巴巴。Amazon是全球技術(shù)投入最高的科技公司，也是技術(shù)布局最廣泛的巨頭之一，范圍幾乎涵蓋Garnter 2019年十大技術(shù)報(bào)告的所有內(nèi)容。

    微軟高調(diào)公開(kāi)的Azure Digital Twin服務(wù)，能夠創(chuàng)建任何物理環(huán)境的數(shù)字模型，包括連接它們的人員、地點(diǎn)、事物、關(guān)系和流程，并與物理世界保持同步。通過(guò)Azure Digital Twins，用戶可以在空間的語(yǔ)境中查詢(xún)數(shù)據(jù)，而不僅僅是查詢(xún)單獨(dú)的傳感器。該服務(wù)將成為Azure IoT平臺(tái)的一部分

    Azure Digital Twin 與 Azure IoT的關(guān)系

    阿里巴巴城市大腦的團(tuán)隊(duì)一直保持著“交通智能”、“城市智能”、“生態(tài)智能”的梯次進(jìn)化思考，并總結(jié)出3條“城市大腦”的衡量標(biāo)準(zhǔn)：

    1）能夠?qū)崟r(shí)處理人所不能理解的超大規(guī)模全量多源數(shù)據(jù)（整體認(rèn)知）；

    2）能夠洞悉人所沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜隱藏規(guī)律（機(jī)器學(xué)習(xí)）；

    3）能夠制定超越人類(lèi)局部次優(yōu)決策的全局最優(yōu)策略（全局協(xié)同）。

    阿里城市大腦三步走戰(zhàn)略

    與之相反，局限于單一數(shù)據(jù)來(lái)源、只賣(mài)設(shè)備不懂業(yè)務(wù)場(chǎng)景、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理規(guī)模存在上限的“偽城市大腦”則會(huì)給城市帶來(lái)更多復(fù)雜性風(fēng)險(xiǎn)。

    阿里巴巴副總裁劉松此前也提到，目前的城市建設(shè)只能規(guī)劃到城市未來(lái)10年的發(fā)展，等換了一批城市中生活的人群，城市的承載力不一樣了，城市又需要重塑，而數(shù)字孿生技術(shù)預(yù)測(cè)城市100年后的變化，這是最大的區(qū)別。

    “工業(yè)界提出數(shù)字孿生，汽車(chē)制造、飛機(jī)制造得以應(yīng)用，但數(shù)字孿生城市更加雄偉。目前每10年生活方式都會(huì)反轉(zhuǎn)一次，未來(lái)都是以100年來(lái)計(jì)算。10年對(duì)100年，這是矛盾，但數(shù)字孿生是好的嘗試，數(shù)據(jù)是其基礎(chǔ)介質(zhì)�！�

    2019年3月，達(dá)摩院視覺(jué)智能團(tuán)隊(duì)推出“數(shù)字平行世界”。相比較阿里之前“城市大腦”的一些系統(tǒng)和場(chǎng)景，“數(shù)字平行世界”的這套系統(tǒng)實(shí)際上從城市的基本數(shù)據(jù)的感知、分析、提煉真正走進(jìn)了城市的三維架構(gòu)，從外觀信息升級(jí)到了內(nèi)外部結(jié)合的領(lǐng)域，更底層更深入，實(shí)操性和實(shí)用性會(huì)更強(qiáng)。

    科大訊飛一直有“訊飛超腦”的智慧城市解決方案，也涉及到數(shù)字孿生技術(shù)。

    科大訊飛輪值總裁胡郁此前提到，未來(lái)某一座城市的道路該不該挖，工程人員和決策者需要先在虛擬城市里模擬，選擇最佳方案，在物理城市實(shí)施。這就是用鮮活的數(shù)據(jù)激活城市、解決城市病的邏輯。

    泰瑞通過(guò)一張網(wǎng)服務(wù)覆蓋全球主要城市(柏林、倫敦、里昂、巴黎、舊金山、摩納哥)

    泰瑞數(shù)創(chuàng)是這個(gè)領(lǐng)域里一支成熟的團(tuán)隊(duì)，自2004年成立以來(lái)，已在數(shù)字孿生城市建設(shè)涉及的六大核心技術(shù)中掌握了4項(xiàng)，分別是新型測(cè)繪、全要素表達(dá)、模擬仿真、深度學(xué)習(xí)，其余兩項(xiàng)是標(biāo)識(shí)感知、協(xié)同計(jì)算。

    泰瑞最早創(chuàng)立與國(guó)家測(cè)繪地理信息局相關(guān)，為國(guó)家安全部門(mén)提供相關(guān)技術(shù)。城市、工業(yè)、智能駕駛是該公司3大戰(zhàn)略方向。泰瑞獲得過(guò)啟迪金控和中信建投等機(jī)構(gòu)過(guò)億元投資。

    51Sim-One自動(dòng)駕駛仿真平臺(tái)

    51VR也是以VR/AR、AI等先進(jìn)技術(shù)為主攻方向的賽道選手。其做法是運(yùn)用GIS、高程、無(wú)人機(jī)斜拍點(diǎn)云、衛(wèi)星圖、街景圖等技術(shù)和數(shù)據(jù)，能夠快速自動(dòng)化構(gòu)建大規(guī)模數(shù)字孿生城市模型，復(fù)原城市的每個(gè)細(xì)節(jié)，約6小時(shí)即可實(shí)時(shí)渲染構(gòu)并構(gòu)建數(shù)千平方公里的 L2 級(jí)別數(shù)字孿生城市。51VR 已完成 B 輪 2.1 億元融資。

    從泰瑞和51VR的例子也可以看出，數(shù)字孿生城市的建設(shè)，正在激活龐大的地理信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈。

    此外，中科院、電信運(yùn)營(yíng)商、數(shù)字冰雹、佳都科技、蘇美達(dá)、軟通動(dòng)力等企事業(yè)單位均在發(fā)力與布局?jǐn)?shù)字孿生的賽道。

    夸克與比特的引力加強(qiáng)，新的技術(shù)路徑成型

    從工業(yè)走向城市，數(shù)字孿生將面臨更加復(fù)雜的局面，因此建設(shè)節(jié)奏也會(huì)相對(duì)緩慢。

    但不可否認(rèn)的是，數(shù)字孿生是一條新興技術(shù)路徑，是城市智能化的前沿模式。

    也是在這種模式驅(qū)動(dòng)下，IoT、邊緣計(jì)算、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等將承載更重要的使命，多技術(shù)集成將使得創(chuàng)新需求更加旺盛。

    Gartner預(yù)測(cè)，到2020年，傳感器與終端節(jié)點(diǎn)的連接數(shù)將達(dá)到210億，數(shù)字孿生將由此創(chuàng)造數(shù)10億美元的價(jià)值。

    在我國(guó)，工信部以及多個(gè)地方政府開(kāi)始提出推進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用，行業(yè)將有望迎來(lái)新的催化。

    當(dāng)然，這項(xiàng)號(hào)稱(chēng)具有“顛覆性、破壞性創(chuàng)新”的技術(shù)還比較早期，核心應(yīng)用場(chǎng)景亟待補(bǔ)充，數(shù)據(jù)治理結(jié)構(gòu)的提升空間依然很大，賽道玩家需要證明自身實(shí)力，從局部走向全局優(yōu)化。

    這一次，物理世界的夸克和數(shù)字世界的比特，將迎來(lái)更加緊密的聯(lián)系。（雷鋒網(wǎng)雷鋒網(wǎng)）