數(shù)字孿生技術(shù)是如何『上位』的？

    如果一個系統(tǒng)能實(shí)時呈現(xiàn)城市的“脈搏”，是不是非常酷炫？

    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)十億市場規(guī)模，由工業(yè)場景邁向城市，GE、西門子、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年以來有兩次A股熱炒的概念，一是邊緣計(jì)算，另一個就是數(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，中國智慧城市技術(shù)相關(guān)投資達(dá)到 208 億美元（僅次于美國）。

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

    目前來看，大廠入局，工業(yè)場景啟用，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)沒到到實(shí)力PK的競爭期。

    畢竟，這一概念被引進(jìn)國內(nèi)才幾年時間，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應(yīng)用，包括數(shù)字政府。

    數(shù)字孿生將會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)入國防工業(yè)

    數(shù)字孿生這一概念誕生在美國，時間在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)為通過物理設(shè)備的數(shù)據(jù)，可以在虛擬（信息）空間構(gòu)建一個可以表征該物理設(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)字孿生為未來國防工業(yè)6大頂尖技術(shù)之首，美國GE（通用）公司已為每個引擎、每個渦輪、每臺核磁共振創(chuàng)造了一個數(shù)字孿生體，通過這些擬真的數(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，這些趨勢并非概念技術(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，其高度波動性在未來五年內(nèi)達(dá)到臨界點(diǎn)。

    這些趨勢中包括人工智能、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，同時這些技術(shù)之間的聯(lián)系越來越緊密。

    Gartner Fellow兼副總裁David Cearley認(rèn)為，無處不在的智能設(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。Gartner稱之為Intelligent Digital Mesh。

    何為數(shù)字孿生？ 以虛控實(shí)的仿真過程

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

    根據(jù)國際統(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、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。

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

    工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是絕對的第一大場景，比如機(jī)器安裝、產(chǎn)線安裝，建立一個生產(chǎn)環(huán)境的虛擬版本，整個環(huán)境都是要用數(shù)字化的方式來描述。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)部零件動態(tài)的觀察成為可能。例如，通過數(shù)字3D模型，我們可以看到汽車在運(yùn)行過程中發(fā)動機(jī)內(nèi)部的每一個零部件、線路、各種接頭的每一次變化，從而可以對產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。

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

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

    這可以通過GE公司的 245000美元的故事說起。

    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。這個移動量等于單個睫毛的寬度，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。

    但是在沒有干預(yù)的情況下，止推軸承將繼續(xù)移動，軸向位移繼續(xù)移動。等到工廠控制中心響起警報(bào)并發(fā)現(xiàn)偏差時，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，對于電力生產(chǎn)商來說，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，確保巨大損失無從發(fā)生。

    截至2018年，GE已經(jīng)擁有120萬個數(shù)字孿生體，可以處理300000種不同類型的設(shè)備資產(chǎn)。此外，據(jù)Gartner稱：

    “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，這將是巨大的開支節(jié)省，也相當(dāng)于是變相盈利了。在國內(nèi)，樹根互聯(lián)、研華科技、軟通動力等均在布局。

    城市如何用上“數(shù)字孿生”？

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

    據(jù)預(yù)測，到2022年，85％的IoT平臺將使用某種數(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，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”到整個城市規(guī)模。

    該公司的CEO Greg Bentley說：

    “這最終為所有者開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，對于基礎(chǔ)設(shè)施專業(yè)人員（包括現(xiàn)實(shí)網(wǎng)格、地形模型、圖像和GIS源）來說，建筑信息建模（BIM）和地理信息系統(tǒng)（GIS）通過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)分場景與城市場景結(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�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7300萬美元，建成之后，這將是一個權(quán)威的數(shù)字三維城市模型和數(shù)據(jù)協(xié)作平臺，可以被政府機(jī)構(gòu)，企業(yè)和研究人員用作測試平臺，以建設(shè)更具彈性的城市。

    虛擬新加坡

    在國內(nèi)從業(yè)人員看來，數(shù)字孿生主要在地理信息這個行業(yè)發(fā)生催化作用，比如用無人機(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、商業(yè)等各功能模塊都將擁有數(shù)字模型。

    這個當(dāng)前部分城市已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。 比如深圳市從 2018 年 12 月開始就啟動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階段，一期是從 2018 年 12 月開始，二期是從 2019 年 4 月份開始，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)等所有看見或看不見的地方，而城市管理將更加輕松可控。

    比如說正在構(gòu)建智慧綠色的雄安，有一個物理的、肉眼可見的雄安；背后的物理系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)里面，還有一個和它一一對應(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、《太陽能光伏建筑設(shè)計(jì)》一書的作者德奧·普拉薩德（Deo Prasad）在接受雷鋒網(wǎng)專訪時提到，智能技術(shù)什么時候走到發(fā)揮作用的“臨界點(diǎn)”？也就是數(shù)字孿生城市到來的那天。

    “現(xiàn)在的做法是想完就動工，未來可能能夠在這個城市三維的數(shù)字孿生模型上先模擬一下。而智慧城市如果無利可圖，也不能創(chuàng)造新價(jià)值，肯定是沒有辦法做下去的�，F(xiàn)在這個行業(yè)的全球產(chǎn)值是1萬億美元，中國有很多智慧城市的產(chǎn)品早就已經(jīng)在全球行銷了，而且也掙到錢了。”

    他覺得數(shù)字孿生對于城市場景下的效率提升，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Azure Digital Twins，用戶可以在空間的語境中查詢數(shù)據(jù)，而不僅僅是查詢單獨(dú)的傳感器。該服務(wù)將成為Azure IoT平臺的一部分

    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)來源、只賣設(shè)備不懂業(yè)務(wù)場景、數(shù)據(jù)實(shí)時處理規(guī)模存在上限的“偽城市大腦”則會給城市帶來更多復(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年生活方式都會反轉(zhuǎn)一次，未來都是以100年來計(jì)算。10年對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)是這個領(lǐng)域里一支成熟的團(tuán)隊(duì)，自2004年成立以來，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)識感知、協(xié)同計(jì)算。

    泰瑞最早創(chuàng)立與國家測繪地理信息局相關(guān)，為國家安全部門提供相關(guān)技術(shù)。城市、工業(yè)、智能駕駛是該公司3大戰(zhàn)略方向。泰瑞獲得過啟迪金控和中信建投等機(jī)構(gòu)過億元投資。

    51Sim-One自動駕駛仿真平臺

    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)原城市的每個細(xì)節(jié)，約6小時即可實(shí)時渲染構(gòu)并構(gòu)建數(shù)千平方公里的 L2 級別數(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)營商、數(shù)字冰雹、佳都科技、蘇美達(dá)、軟通動力等企事業(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)奏也會相對緩慢。

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

    當(dāng)然，這項(xiàng)號稱具有“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，將迎來更加緊密的聯(lián)系。（雷鋒網(wǎng)雷鋒網(wǎng)）