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"数字孪生"是什么?

数字孪生(Digital Twin)这一概念最早可以追溯到Michael Grieves教授2002年在密歇根大学PLM(产品生命周期管理)中心对产业界做的一次演讲(虽然没有书面证据,但这仍被广泛认为是数字孪生的最早来源)。

2014年,Michael Grieves在其撰写的“Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication”白皮书中进行了详细的阐述。他认为通过物理设备的数据,可以在虚拟(信息)空间构建一个可以表征该物理设备的虚拟实体和子系统,并且这种联系不是单向和静态的,而是在整个产品的生命周期中都联系在一起。

在此之后,数字孪生的概念逐步扩展到了模拟仿真、虚拟装配和3D打印等领域。随着物联网技术、人工智能和虚拟现实技术的不断发展,更多的工业产品、工业设备具备了智能的特征,而数字孪生也逐步扩展到了包括制造和服务在内的完整的产品周期阶段,并不断丰富着数字孪生的形态和概念。

企业界走在数字孪生的前列。工业4.0下的数字孪生被各大软件厂商赋予了各自的理解,并将其与自身业务融合,致力于打造出现实世界与虚拟世界融合的解决方案。

美国通用电器公司(GE)与ANSYS公司借助数字孪生这一概念,提出物理机械和分析技术融合的实现途径,让每个引擎,每个?#26032;鄭?#27599;台核磁共振都拥有一个数字化的“双胞胎”,并通过数字化模型在虚拟环境下实现机器人调试、试验、优化运行状态等模拟,以便将最优方案应用在物理世界的机器上,从而节省大量维修、调试成本。

西门子引用数字孪生的概念,来形容贯穿于产品生命周期各?#26041;?#38388;的数据模型。通俗地说,数字孪生就是仿真模拟一些工厂的实?#20160;?#20316;空间,从产品设?#39057;讲?#32447;设计,到设备制造方的机械设计和工厂的规划排产,到最后制造执行和产品大数据。

法国软件公司达索系统在数字孪生创新协作和验证中,不仅重视产品的数字化表现,更试图通过三维体验?#25945;?#23454;现设计师和客户之间的互动。

德国软件公司SAP基于Leonardo?#25945;?#22312;数字世界打造了一个完整的数字化双胞胎,在产品试验阶段采集设备的运行状况,进行分析,得出产品的实际性能,再与需求设?#39057;?#30446;标比较,形成产品研发的闭环体系。

简而言之,工业4.0下的数字孪生,更多是为制造业提供了产品在物理空间和虚拟空间之间的?#25104;?#20851;系,以及在实体世界以及数字虚拟空间中记录、仿真、预测对象全生命周期的运行轨迹的过程。       

数字孪生:催生智慧城市2.0

值得注意的是,数字孪生的概念不仅活跃在工业4.0的制造业,也越来越频繁地出现在智慧城市领域。随着ICT(信息、通信、技术)成为智慧城市发展的主要动能,移动通信、互联网、云计算、传感器、人工智能、量子通信在智慧城市都得到了广泛应用。全域感知、数字模拟、深度学习等各领域的技术发展也即将迎来拐点,这使得城市的数字孪生应运而生。

中国智慧城市数字孪生的发展还有很长一段路要走。数字孪生高度?#35272;?#20256;感器所采集的数据和信息,而就目前的技术水平来看,精?#23500;?#23610;度下城市数据的全域感知和历史多维数据的获取,依旧有?#35759;取?#29289;理实体空间的数据不够详尽,将直?#25317;?#33268;其数字副本的缺失。

现阶段的数字孪生距离想象中的沙盒系统模拟推演、人工智能决策等功能仍有很大差距。

数字孪生在智慧城市发展与建设中的核心价值在于,它能够在物理世界和数字世界之间全面建立实时联系,进而对操作对象全生命周期的变化进行记录、分析和预测。智慧城市中的数字孪生可以分为四个阶段,分别是:

  1. 对城市现状进行精准、全面、动态?#25104;?#30340;现状孪生
  2. 从历史数据中学习、分析、识别、总结并发现城市运行规律的学习孪生
  3. 人工监督下模拟不同环境背景下的发展情景的模拟孪生
  4. 最终通过实时数据接入与人工智能自动决策的自主孪生

同时,我?#19988;?#24212;看到数字孪生在传感器、5G和边缘计算技术不断发展中所具备的巨大潜力。传感器的高密度部署与高精度感知,结合5G和边缘计算的实时结构化计算回传,对城市物理空间的全域感知和实?#22791;?#26032;,将是5G时代的常态。一砖一瓦、一草一?#23613;?#19968;桌一椅、一人一车,都会以不同的频率更新位置和状态信息,从而实现真正的“全息”虚拟城市。     

城市数据:数字孪生的DNA

在智慧城市的建设中,数字孪生的核心在于构建与城市物理空间全面?#25104;?#30340;虚拟(信息)空间。不同于制造业产品周期管理中被制造商全面掌握的产品信息化数据,城市作为一个庞大的复杂系统,其包含的物理空间及过程,无时无刻不在产生着多维的海量大数据,这无疑在数据收集、处理、运算、储存和管理上向城市数字孪生提出了挑战。

近年来,以数据为核心的城市生态链构架了智慧城市的顶层设计,形成以共享信息为中心、各行业协同实现的“感知-应用-共享信息”的智慧城?#24515;?#24335;。与此同时,在大数据、人工智能、云计算、物联网等新兴ICT技术的推动下,多维的海量城市数据也逐步以不同方式被挖掘并应用在智慧城市的研究和实践中。

传统城市统计数据的电子化与空间可视化是城市大数据发展迈出的第一步。基于GIS?#25945;?#19978;对行政边界的勾绘,并将其与传统的年鉴统计数据相匹配,就能实现传统数据的电子化与可视化,并依托GIS空间分析功能实现空间可视化与分析。

互联网大数据的应用标志着城市真正迈入了大数据时代,而互联网大数据也俨然成为近年来城市研究的“宠儿”,无论是学界还是业界都在积极探索互联网大数据为城市研究和发展带来的诸多可能。

互联网大数据最大的优势在于其打破了传统数据自上而下的数据采集壁垒,而是以自下而上的方?#25945;?#20379;着精细尺度下的多维数据,如记录城?#24515;?#25152;有地理实体空间位置与属性的兴趣点(POI)数据?#29615;从?#35805;题热度与用户画像的社交媒体大数据;实时展示人口空间分布的热力图等。

而随着智慧城市的到来,传感器技术的进步与成熟为城市研究提供了另一条数据获取之路。

通过多模块集成传感器在城?#24515;?#37096;的架设,可以实现精细尺度下城市环?#22330;?#20154;车行为等数据的实?#22791;?#30693;与收集。如由City Grid城市网格数据监测站,可利用多模块传感器网络监测人车流量及环境质量,如风速、风向、光照、?#29575;?#24230;和pm2.5等。City Grid是一款针对城市空间精?#23500;?#24863;知的物联网产品,也是传感器技术应用在城市全域感知、数据采集,乃至实现城?#24418;?#26469;微观环境与人车行为预测的经典案例。王鹏团队也曾多次利用City Grid多次在清华大学校园和白塔?#24459;?#21306;内进行监测布点、数据采集,并针对城市环境和人群行为开展深入分析。

LBS数据(基于位置服务的数据),通过运营商采集用户与基站间不间断的信令数据,来获取移动服务用户相对精确的实时空间位置。因其具备用户量大,覆盖?#27573;?#24191;等特征,是描述城市人口数量和空间分布的“终极”数据。

我?#21069;?#33258;己数字化了:Digital Self 数字自我

在感叹数字孪生如何颠覆性地改变制造业和城市管理与运营的同时,有学者已经开始探索如何打造人类个体的数字双胞胎。

清华大学龙瀛团队的研究助理张昭希近期发表了一篇题为“Application of wearable cameras in studying individual behaviors in built environment”的期刊论文,提出创新性地使用可穿戴?#36739;?#26426;对个体行为和城市空间感知进行数据收集、分析与模拟。

研?#23458;?#38431;利用便携?#36739;?#26426;,记录佩戴者正前方每5?#31181;?#19968;张的?#35745;?#25968;据,并通过人工识别、计算机视觉分析和色彩识别分析等手段,对佩戴者个体行为特征、时间分配、路径转移、场所事件等要素进行了分析研究。研究结果表明,可穿戴?#36739;?#26426;采集到的?#35745;?#25968;据具有丰富的个体行为与时?#25307;?#24687;,可以有效描述个体在空间中的行为特征。

随着大数据在城市研究中的广泛应用和快速发展,基于建成环境层面的形态要素数据(如遥感、街景和POI数据)和多种互联网数据(如微博、点评和手机信令数据)开展的针对大规模群体的研究,为利?#20040;?#25968;据解?#32479;鞘形?#39064;提供了大量案例参?#36857;?#24182;逐步建立了理论基础。然而,这些基于较粗尺度城市物理空间,抑或是大规模群体的大数据,仍较难被应用于个体的深层剖析和研究解读。

而可穿戴?#36739;?#26426;为大规模采集个体数据提供了新的契机,通过记录的?#35745;?#25968;据将个人活动信息数字化,形成“数字自我”的电子档案,弥补了现有研究中对个体行为数据采集不够连续、维度不够丰富的问题,这也是从城市环境数据化向个体行为信息化的转变之一。同时,个体行为信息化?#27493;?#25512;动研究方法的革新和新技术的介入,从主观的“个体感知”转向客观的“量化研究”。

从数字孪生的角度来看,基于可穿戴?#36739;?#26426;记录下的?#35745;?#25968;据,通过整理和分析可以剥离出个体在物理空间中的行为特征要素,进一步将这些个体行为特征要素在时空上数字化,从而构建了其在虚拟(信息)空间内的数字双胞胎。同时,?#35745;?#25968;据中包含的大量物理空间建成环境要素同样可以被数字化并记录在虚拟空间内,从而?#20174;?#29289;理空间和虚拟空间内个体和环境之间的交互。

科技的日新月异不仅使人们的生活方式发生了巨大改变,同时也影响着城市运行的方方面面。不可置否的是,新技术的高速发展给城市研究与实践带来了新的机遇,推动着城市规划技术和工具的突破与创新。如龙瀛提出的数据增?#21487;?#35745;,?#24066;?#35268;划师们借助多维城市大数据对城市做出更全面、精准的分析与规划设计响应。

同时,在信息通讯技术革新的助力下,数据储存、挖掘、云计算和可视化等技术的完善?#21442;?#30740;究城市提供了新视角。人们的思维方式从传统的机械思维向大数据思维转变,认知方式也逐渐向虚?#21040;?#21512;的体验过度。城市数字孪生、数字自?#19994;?#27010;念?#27493;?#22312;第四次工业革命的技术革?#23402;?#25317;有更丰富的内涵。

(本文为作者陈龙结合华为公司智慧城市高级顾问王鹏在集智俱乐部沙龙上的部分演讲内容,以及清华大学龙瀛团队在人类数字化上的最新研究,提出的对城市和个体虚拟化等问题的?#25945;幀#?/p>

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