數(shù)字孿生(Digital Twin)，作為近幾年隨著新基建、數(shù)字化等熱點一并火起來的詞匯，數(shù)字孿生在國內(nèi)外政策中出現(xiàn)的頻率不低。
近一年來，國家發(fā)改委、科技部、工信部、自然資源部、住建部等部委密集出臺政策文件，有力推動城市信息模型（ CIM）及建筑信息模型（ BIM）相關(guān)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)與應用快速發(fā)展，助力數(shù)字孿生城市建設。今年7月，數(shù)字孿生城市更被全國科學技術(shù)名詞審定委員會批準為大數(shù)據(jù)新詞。
國際上對數(shù)字孿生也相當重視。
英國：2020 年 4 月，英國重磅發(fā)布《英國國家數(shù)字孿生體原則》，講述構(gòu)建國家級數(shù)字孿生體的價值、標準、原則及路線圖。
美國：2020 年 5 月，美國組建數(shù)字孿生聯(lián)盟，聯(lián)盟成員跨多個行業(yè)進行協(xié)作，相互學習并開發(fā)各類應用。美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟將數(shù)字孿生作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地的核心和關(guān)鍵，正式發(fā)布《工業(yè)應用中的數(shù)字孿生：定義，行業(yè)價值、設計、標準及應用案例》白皮書。
德國：德國工業(yè)4.0 參考框架將數(shù)字孿生作為重要內(nèi)容。
新加坡：率先搭建了“虛擬新加坡”平臺，用于城市規(guī)劃、維護和災害預警項目。
法國：高規(guī)格推進數(shù)字孿生巴黎建設，打造數(shù)字孿生城市樣板，虛擬教堂模型助力巴黎圣母院“重生”。
本文將圍繞三個問題進行闡述：
1、政策反復提及的數(shù)字孿生到底是什么？
2、數(shù)字孿生涉及到的技術(shù)
3、正在計劃落地的數(shù)字孿生應用有哪些？
數(shù)字孿生(Digital Twin)，乍聽之下有些賽博朋克的味道。官方解釋如下：
數(shù)字孿生(Digital Twin)是物理空間與虛擬空間之間虛實交融、智能操控的映射關(guān)系，通過在實體世界以及數(shù)字虛擬空間中記錄、仿真、預測對象全生命周期的運行軌跡，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)信息資源、物質(zhì)資源的最優(yōu)化配置。
直觀的理解如下圖所示：
簡單來說，數(shù)字孿生就是在一個設備或系統(tǒng)的基礎上，創(chuàng)造一個數(shù)字版的“克隆體”。這個“克隆體”，也被稱為“數(shù)字孿生體”。它被創(chuàng)建在信息化平臺上，是虛擬的。
特點如下：
(1)利用計算機技術(shù)建立的虛擬模型是對物理對象的真實映射，并對物理對象的各類數(shù)據(jù)實時感知并集成融合；
(2)通過參與物理對象的全生命周期，不斷積累相關(guān)信息，并與其共同進化；
(3)虛擬空間的數(shù)字化模型能夠?qū)ΜF(xiàn)實中的物理對象準確描述，而且能夠控制物理對象的運行過程，孿生數(shù)據(jù)能夠促使物理對象不斷優(yōu)化，直到最優(yōu)。
也就是說，如果需要做系統(tǒng)設計改動，或者想要知道系統(tǒng)在特殊外部條件下的反應，工程師們可以在數(shù)字孿生體上進行“實驗”。這樣一來，既避免了現(xiàn)實中物理對象的影響，也可以提高效率、節(jié)約成本。
數(shù)字孿生涉及的技術(shù)門類較多，幾乎涉及信息產(chǎn)業(yè)所有鏈條。
1.端口智能化
作為數(shù)字孿生城市與真實世界的連接入口，端的存在感尤為突出。端主要由芯片、物聯(lián)網(wǎng)傳感器以及監(jiān)控設備等完成。如何將端口的數(shù)據(jù)采集做的更精準，離不開智能化。
而在實際應用中，感知設備容易受到外界不可抗力影響。
以監(jiān)控設備為例，在雨天、沙塵、霧霾等不可抗拒的環(huán)境因素影響時，會導致成像質(zhì)量不佳；另外場景中的角度、遮擋、光線和像素等因素也會導致目標識別的準確率偏低，很難將智能真正應用于實戰(zhàn)。尤其是復雜場景下的視頻采集一直是業(yè)界的難題，比如大角度、低照度人臉抓拍、夜間低照度場景人車抓拍，白天玻璃強反光下車內(nèi)人臉抓拍等。
而通過視覺感知智能化，可以極大提升數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，同時降低后端數(shù)據(jù)處理的算力消耗，降低整體TCO，同時分布式處理也提升了系統(tǒng)可靠性。視覺感知智能化，可以從源頭影響數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，提升可視化信息的價值，為數(shù)字孿生應用場景打下基礎。
2.端-邊-云協(xié)同
數(shù)字孿生下的萬物感知互聯(lián)將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)不可能全部傳送到云計算中心，同時，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛、視頻監(jiān)控等領(lǐng)域?qū)崟r性要求極高，需要在網(wǎng)絡邊緣處處理數(shù)據(jù)，因此貼近終端設備的邊緣計算成為云計算向邊緣側(cè)拓展的新觸角。作為大規(guī)模整體數(shù)據(jù)分析的云計算中心，和小規(guī)模局部數(shù)據(jù)輕量處理的邊緣計算節(jié)點，形成全局化的分布式協(xié)同計算形態(tài)，為數(shù)字孿生的精準構(gòu)建與高效運行提供“算力”支撐。
通過端邊云協(xié)同，使城市全域感知體系滿足低時延、高效能的設備協(xié)同要求，降低對傳輸網(wǎng)絡的要求，達到就近計算、高效反饋、按需分析的設計目標，城市立體感知體系更豐滿。
3.空間信息產(chǎn)業(yè)
在數(shù)字孿生生態(tài)構(gòu)建中，需要空間信息采集、建模、開發(fā)、服務、應用全產(chǎn)業(yè)鏈的深度參與。
在仿真分析層，為使數(shù)字化模型融入物理規(guī)律和機理的計算、分析等能力，就必須使用到仿真軟件，包括如CAD、EDA等工業(yè)仿真軟件和交通、物流領(lǐng)域的復雜系統(tǒng)仿真軟件。在模型構(gòu)建層，在我國主要進行數(shù)字化建模服務的企業(yè)以國有測繪企業(yè)為主，但提供測繪數(shù)據(jù)服務的軟件仍以采購國外軟件為主。
……
通過以上這些智能計算設施可以讓城市部件進行數(shù)字孿生，但數(shù)據(jù)并不是“智慧”，匯聚海量城市數(shù)據(jù)，也不等同于智慧的“城市大腦”。關(guān)鍵還在于如何讓數(shù)據(jù)發(fā)揮出自己的價值。
據(jù)上游新聞報道，2020年12月11日，由中國城市規(guī)劃設計研究院和阿里云承建的“雄安新區(qū)規(guī)劃建設BIM管理平臺（一期）項目”已通過終驗評審。雄安新區(qū)是國內(nèi)首個依照“數(shù)字孿生”理念設計的城市。
據(jù)介紹，雄安在規(guī)劃方案BIM審核時創(chuàng)新性引入了空間算法，把行業(yè)規(guī)范及專家經(jīng)驗通過技術(shù)實現(xiàn)出來，政府實現(xiàn)了技術(shù)方向主導。通過阿里云分布式計算，BIM平臺能對上百棟樓宇、百萬平米體量的三維建筑模型，順暢完成質(zhì)量檢查、空間核查和指標管控。此外，平臺構(gòu)建了一整套數(shù)據(jù)標準體系（XDB），為城市空間可仿真、可計算奠定了基礎。
雄安新區(qū)BIM管理平臺還整合了“GIS+BIM+IoT”技術(shù)，針對城市全生命周期的“規(guī)、建、管、養(yǎng)、用、維”六個階段，創(chuàng)新提出了貫穿數(shù)字城市與現(xiàn)實世界映射生長的建設理念，實現(xiàn)了雄安新區(qū)城市發(fā)展全生命周期信息化和城市審批管理全流程數(shù)字化。
平臺打造了科學的數(shù)據(jù)生長和治理機制，保證了雄安新區(qū)建設完成后，城市中的每一塊土地、每一棟建筑、每一條管廊管線、每一個智能基礎設施都會和設計的數(shù)字模型一一對應，從而構(gòu)建出實體城市與數(shù)字城市虛擬交互、相互映射的數(shù)字孿生城市。
未來，基于數(shù)字模擬，雄安就可以進行暴雨、大雪、交通疏導等特定場景的應急演練。通過城市的模擬、診斷、預測，解決城市“規(guī)建管”中的復雜性和不確定性問題，全面提高城市資源的配置效率和運轉(zhuǎn)狀態(tài)，實現(xiàn)一張藍圖干到底，將城市建設與管理提升至“細胞級”精細化治理水平。
數(shù)字孿生城市只是數(shù)字孿生的應用之一。
未來交通是現(xiàn)實世界與虛擬世界的交匯融合，通過獲取現(xiàn)實世界中動態(tài)實時的交通數(shù)據(jù)，在虛擬世界里將其數(shù)字化、模型化，可以打通物理世界和云端的數(shù)字孿生世界，去推演解決現(xiàn)實世界中遇到的交通問題，自動駕駛領(lǐng)域許多技術(shù)，例如數(shù)據(jù)采集、標注，虛擬仿真等，都可以為此提供助力。
在開展自動駕駛研發(fā)初期，騰訊已經(jīng)布局虛擬仿真技術(shù)領(lǐng)域。為了破解自動駕駛實際道路測試面臨里程長、成本高、測試場地少等難題，騰訊自研了虛擬仿真平臺TAD Sim，構(gòu)建高還原度的虛擬仿真環(huán)境，結(jié)合云服務，為自動駕駛算法提供高并發(fā)的測試驗證平臺。
虛擬孿生技術(shù)平臺，是騰訊在交通領(lǐng)域的重要布局之一。面向未來，騰訊致力于打造"以人為中心"的智慧交通系統(tǒng)。騰訊We Transport智慧交通戰(zhàn)略，聚焦交通建設、管理、運營、服務四個領(lǐng)域，通過5大基礎設施、5大核心引擎、3大能力平臺、3大泛在生態(tài)，為未來交通建設提供數(shù)字底座和云端大腦，支撐人、車、路、網(wǎng)、云的全鏈路服務。
除了自動駕駛，今年9月，華為面向交通行業(yè)市場正式發(fā)布綜合大交通解決方案。在鐵路的智能運維方面，利用5G技術(shù)的大帶寬低時延高可靠的特性，可以實時傳輸車上的監(jiān)控信息到地面，構(gòu)建動車組的數(shù)字孿生平臺，進一步開發(fā)智慧運維的各種場景。基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，實現(xiàn)移動裝備的故障預測和全生命周期健康管理，使移動裝備的檢修由長期以來計劃修向狀態(tài)修、預測修轉(zhuǎn)變。逐步構(gòu)建移動裝備檢修的智能數(shù)據(jù)采集、智能數(shù)據(jù)分析、智能檢修、智能調(diào)度、智能安全保障等全維護體系。
此外，在2020中國產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)高峰論壇上，360工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全研究院負責人張建新指出，數(shù)字孿生可以為解決工業(yè)安全問題提供新的思路。360工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院研究結(jié)果表明，通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡安全性評估和整體規(guī)劃、攻防驗證、攻擊欺騙高仿真度模擬、安全態(tài)勢感知、業(yè)務安全等五大方面，提供安全賦能。此外，基于數(shù)字孿生可以構(gòu)建更精準的安全態(tài)勢感知和應急防御體系；兼顧業(yè)務安全與網(wǎng)絡信息安全，面向業(yè)務安全領(lǐng)域的安全內(nèi)涵擴展。
事實上，當前數(shù)字孿生技術(shù)仍有著推進目的和方向不清，應用場景深度不足、城市信息模型重復建設，孿生底座亟待整合、缺乏統(tǒng)一CIM平臺規(guī)范，數(shù)據(jù)融通標準缺失、關(guān)鍵技術(shù)存在卡脖子風險，亟待創(chuàng)新突破等問題。
但隨著5G時代到來，萬物互聯(lián)變成現(xiàn)實，AI的加速發(fā)展實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實深度融合，數(shù)字孿生的新世代注定到來，如何把握好這場萬億市場級別的變革，仍是當下需要思考的。
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