2022年北京冬季奧運(yùn)會開幕式驚艷世界,黑科技加持實(shí)現(xiàn)了“人少而不空,空靈而浪漫”的現(xiàn)場效果。驚艷之間,人工智能、云計算、5G、數(shù)字孿生Digital Twin等科技成果巧妙運(yùn)用,充斥虛擬元素的盛會悄然展現(xiàn)了一個“冬奧元宇宙”。

數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)了將虛擬與現(xiàn)實(shí)完美融合,從場館設(shè)計、訓(xùn)練設(shè)施、賽事保障等各方面展示了對現(xiàn)實(shí)世界的巨大助力和魅力,解決了新冠肺炎疫情背景下許多迫在眉睫的難題,效率也為之提升。

其實(shí),數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用遠(yuǎn)不止這些,涵蓋智慧城市、智慧交通、智慧能源、智慧建筑、智能制造、智慧健康幾大領(lǐng)域,充當(dāng)著現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字虛擬世界溝通的橋梁。

數(shù)字孿生成為智慧城市應(yīng)用重要技術(shù)支撐

2009年,IBM提出“智慧星球”的概念,并在隨后參與建設(shè)了美國第一個智慧城市,涵蓋公共資源和服務(wù)數(shù)字化,利用網(wǎng)絡(luò)收集分析數(shù)據(jù),了解資源使用情況,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

近年來,各國開始認(rèn)識到利用實(shí)時數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)來監(jiān)管現(xiàn)有公共服務(wù)的績效,改善城市規(guī)劃和優(yōu)化決策者制定決策的價值。

通過構(gòu)建真實(shí)世界的數(shù)字副本,模擬城市活動中可能出現(xiàn)的潛在問題,從而及時調(diào)整策略,避免不必要的城市風(fēng)險。

數(shù)字孿生城市則是數(shù)字孿生技術(shù)在城市層面的廣泛應(yīng)用。數(shù)字孿生城市可以理解為實(shí)體城市在虛擬空間的映射狀態(tài),能夠支撐城市規(guī)劃、建設(shè)、管理,確保城市安全、有序運(yùn)行,其典型應(yīng)用場景包括城市規(guī)劃、城市建設(shè)、城市管理等。

從城市規(guī)劃的角度來看,目前城市的現(xiàn)狀研究包含地上地下、室內(nèi)室外、自然地形等,而傳統(tǒng)的測繪或研究結(jié)果數(shù)據(jù)通常分散于各個部門,難以對全要素進(jìn)行實(shí)時展示與更新。

數(shù)字孿生通過對各類數(shù)據(jù)展開分類與整合,對城市進(jìn)行虛擬規(guī)劃和場景仿真模擬,實(shí)時動態(tài)性監(jiān)管城市開發(fā)和城市生長更新的整體規(guī)劃實(shí)施情況,以實(shí)現(xiàn)城市空間現(xiàn)狀的可視化。

城市規(guī)劃部門可以基于數(shù)字孿生采集、分析的城市數(shù)據(jù),科學(xué)提出市域城鄉(xiāng)統(tǒng)籌發(fā)展戰(zhàn)略,保證規(guī)劃建筑、綠地、公路、橋梁、公共設(shè)施等每一寸土地時實(shí)現(xiàn)綜合效益的最優(yōu)化。

在城市建設(shè)領(lǐng)域,“人員、安全、進(jìn)度、協(xié)同、環(huán)境”等作為重要因素,很大程度上影響著城市建設(shè)實(shí)施方案、路線、周期等的最終決定。

數(shù)字孿生具有全生命周期、實(shí)時、雙向的特點(diǎn),能夠幫助解決城市建設(shè)過程中存在的復(fù)雜性與不確定性問題。例如在對建設(shè)工地監(jiān)管時,數(shù)字孿生數(shù)據(jù)面板能夠?qū)崟r監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)、項(xiàng)目工程信息、節(jié)點(diǎn)計劃、現(xiàn)場管理人員名單等,做到項(xiàng)目管理、人員管理、安全管理一張圖,對重大事件進(jìn)行實(shí)時更新并及時觸達(dá)到相關(guān)部門或管理人員,保證施工人員安全實(shí)現(xiàn)人員高效管理調(diào)度,維護(hù)施工環(huán)境的綠色安全。

從城市管理的角度來看,建筑物或整個城市的數(shù)字孿生可有效地協(xié)助城市規(guī)劃以及實(shí)物資產(chǎn)的運(yùn)營和維護(hù)。同時,數(shù)字孿生可用作有效的參與工具,促進(jìn)社會各階層之間的討論等。它不僅能優(yōu)化政策制定和服務(wù)水平,還能為公共機(jī)構(gòu)展示更具響應(yīng)性和彈性治理的機(jī)會,提升對社區(qū)和公眾的影響力和價值。未來,隨著越來越多傳感器的加入,基于數(shù)字孿生的城市管控平臺能夠真正支持智慧城市的實(shí)施。

騰訊打造的深圳南山區(qū)數(shù)字孿生環(huán)境

以騰訊城市數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)造的深圳市南山區(qū)為例,我們可以清晰地看到區(qū)域內(nèi)的建筑物、街道、公園等所有元素,以及實(shí)時的路面交通狀況、建筑物內(nèi)的狀況。操作人員可以站在上帝視角,自由地切換觀看角度、區(qū)域,進(jìn)行放大、縮小、拉近等查看。

從具體作用來看,城市數(shù)字孿生通過對城市虛擬規(guī)劃和場景仿真模擬,可以讓決策者更直觀地看到整個城市的面貌,保證規(guī)劃建筑、綠地、公路、橋梁、公共設(shè)施等每一寸土地的綜合效益最優(yōu)化。

在城市建設(shè)過程中,城市數(shù)字孿生將“人員、安全、進(jìn)度、協(xié)同、環(huán)境”等因素當(dāng)做重點(diǎn)對象,將其數(shù)字化,構(gòu)建數(shù)字孿生信息化應(yīng)用系統(tǒng),應(yīng)對工程的復(fù)雜性和不確定性。

如此一來,項(xiàng)目施工信息、工程進(jìn)度、重大事件都能夠在系統(tǒng)中得到實(shí)時更新,系統(tǒng)還能連接建設(shè)方、施工方等多方人員,將工程建設(shè)情況進(jìn)行實(shí)時觸達(dá)。

數(shù)字孿生仿真技術(shù)助力智慧交通

從馬車到蒸汽機(jī)車,從汽車到飛機(jī),都是為了使出行更高效便捷?；ヂ?lián)網(wǎng)、移動通信等技術(shù)進(jìn)步不僅使人們溝通更方便快捷,也提升了出行效率。伴隨智能交通和智能網(wǎng)聯(lián)汽車上升到國家戰(zhàn)略高度,作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和民生服務(wù)的重要基礎(chǔ),交通發(fā)展已成為新基建的主力軍。當(dāng)下人們的憧憬之一就是用自動駕駛解放駕駛者,要實(shí)現(xiàn)這一美好愿景,沒有先進(jìn)技術(shù)的加持萬萬不能。

自動駕駛之所以落地難,一個很重要的原因就是對安全的考量。從外媒報道的新聞來看,每年都會發(fā)生多起因自動駕駛失控而導(dǎo)致的悲劇。為了解決這個問題,自動駕駛技術(shù)必須要進(jìn)行大量反復(fù)的路測。

路測要采集大量天氣、路況、城市數(shù)據(jù),還要進(jìn)行標(biāo)注,成本非常高。這方面全球每年投入超過10億美元。在自動駕駛軟件OTA方面,想達(dá)到量產(chǎn)應(yīng)用條件,每一版算法至少要經(jīng)過110億英里測試,任何一家公司都難以承受。

模擬仿真技術(shù)是汽車智能化技術(shù)研發(fā)的重要支撐,在汽車研發(fā)、車輛測評、系統(tǒng)認(rèn)證、自動駕駛研發(fā)驗(yàn)證等方面具有不可替代的作用。為突破自動駕駛算法驗(yàn)證在測試?yán)锍谭矫娴南拗?國內(nèi)外各大互聯(lián)網(wǎng)巨頭紛紛構(gòu)建自動駕駛仿真測試平臺,探索建設(shè)自動駕駛測試評價標(biāo)準(zhǔn)體系。

以騰訊自動駕駛數(shù)字孿生仿真測試平臺TAD Sim為例,該平臺能夠利用整合AI、大數(shù)據(jù)、云計算、深度學(xué)習(xí)、多源信息融合感知與定位、高精度地圖生產(chǎn)與運(yùn)用等技術(shù),為自動駕駛等方面的研發(fā)和測試提供支持。

目前TAD Sim 2.0場景庫中有超過1000種場景類型,還可以通過泛化生成萬倍以上規(guī)?；S富場景。近兩年騰訊智慧交通聯(lián)合參與的深圳智能網(wǎng)聯(lián)交通測試示范區(qū)、襄陽達(dá)安數(shù)字孿生自動駕駛測試評價體系建設(shè)項(xiàng)目等都已展開落地建設(shè)。

在提高交通資源配置效率和安全運(yùn)轉(zhuǎn)方面,數(shù)字孿生技術(shù)可實(shí)現(xiàn)道路基礎(chǔ)設(shè)施生命周期的動態(tài)監(jiān)測,通過數(shù)字大屏方式展現(xiàn)現(xiàn)階段交通狀況,同時通過數(shù)據(jù)全域標(biāo)識、狀態(tài)精準(zhǔn)感知、數(shù)據(jù)實(shí)時分析、模型科學(xué)決策、智能精準(zhǔn)執(zhí)行,實(shí)現(xiàn)交通的模擬、監(jiān)控、診斷、預(yù)測和控制,解決交通規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、管理、服務(wù)中的復(fù)雜性和不確定性問題,為道路通行診斷和交通管理決策提供精確依據(jù)。

電力、環(huán)保、醫(yī)療都將受益

當(dāng)前,數(shù)字孿生技術(shù)也已廣泛用于電力、環(huán)保、醫(yī)療等各個細(xì)分領(lǐng)域,呈現(xiàn)出方興未艾之勢。在推進(jìn)數(shù)字電網(wǎng)發(fā)展進(jìn)程中,作為實(shí)現(xiàn)數(shù)字電網(wǎng)比特和瓦特深度融合,實(shí)現(xiàn)清潔低碳、安全高效電力系統(tǒng),支撐數(shù)字經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的重要實(shí)現(xiàn)手段,數(shù)字孿生正在不斷加持。

例如,智慧變電站數(shù)字孿生系統(tǒng)采用先進(jìn)傳感技術(shù)對變電站環(huán)境量、物理量、狀態(tài)量、電氣量進(jìn)行全面采集;充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全、先進(jìn)實(shí)用、面向一線、運(yùn)檢高效,建設(shè)狀態(tài)的全面感知、信息互聯(lián)共享、人機(jī)友好交互、設(shè)備診斷高度智能、運(yùn)檢效率大幅提升的智慧變電站。

在環(huán)保行業(yè),采用數(shù)字孿生技術(shù)的智慧環(huán)保可視化決策系統(tǒng)支持整合環(huán)保各部門現(xiàn)有信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)資源,覆蓋環(huán)保綜合態(tài)勢監(jiān)測、大氣環(huán)境監(jiān)測、水環(huán)境監(jiān)測、聲環(huán)境監(jiān)測等多項(xiàng)業(yè)務(wù)。憑借先進(jìn)的人機(jī)交互方式,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)監(jiān)測等多種功能,可廣泛應(yīng)用于態(tài)勢監(jiān)測、應(yīng)急指揮、分析研判、展示匯報等場景。

在危廢處理方面,數(shù)字孿生技術(shù)的四個應(yīng)用場景分別是輸入、響應(yīng)、優(yōu)化和調(diào)控。輸入是指物理世界到虛擬世界的數(shù)字映射,通過大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)物理環(huán)境的實(shí)時響應(yīng),然后根據(jù)算法模型生成優(yōu)化建議,通過調(diào)控來控制實(shí)際的物理環(huán)境。

數(shù)字孿生在醫(yī)療健康行業(yè)也有一些典型應(yīng)用。過去,醫(yī)療健康行業(yè)無論是藥物研發(fā),還是為患者制定治療或手術(shù)方案,都需要經(jīng)過多層驗(yàn)證和測試,這些測試和驗(yàn)證過程往往耗時長且成本高昂。利用數(shù)字孿生技術(shù)就可以依托數(shù)字病歷、疾病登記庫、可穿戴傳感器等獲取數(shù)據(jù)信息,進(jìn)而構(gòu)建虛擬患者、虛擬解剖環(huán)境及醫(yī)院環(huán)境,搭建一個基于真實(shí)數(shù)據(jù)的虛擬模型,然后獲取該模型對藥物以及治療方案的反饋。

數(shù)字孿生技術(shù)還可以讓醫(yī)療健康行業(yè)的工作變得更加高效,更具科學(xué)性、預(yù)測性和前瞻性。例如,藥物臨床試驗(yàn)成本高、耗時長、效率低,還伴隨較高的失敗風(fēng)險,符合標(biāo)準(zhǔn)并自愿參加實(shí)驗(yàn)的患者少之又少,使藥物臨床試驗(yàn)工作面臨巨大挑戰(zhàn)。利用數(shù)字孿生技術(shù),借助現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立試驗(yàn)組和對照組的數(shù)字孿生體來替代部分人類志愿者,可有效緩解招募志愿者的壓力。

冬奧的到來,讓我們看到數(shù)字孿生不再只是一種技術(shù),而是一種發(fā)展新模式、一個轉(zhuǎn)型新路徑、一股推動各行業(yè)深刻變革的新動力。

從市場前景看,數(shù)字孿生是熱度最高的數(shù)字化技術(shù)之一,發(fā)展空間巨大。而隨著新一代信息技術(shù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合的加快和企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求的提升,以及政策的持續(xù)加持,數(shù)字孿生將與制造技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合,為工業(yè)制造、未來生活帶來無限可能。