数字孪生赋能新基建,打造现实世界“双胞胎”

肯汀集团
魏晚
如果,我们可以实现数字孪生,检测人员即可通过对“数字孪生体”的数据反馈,即可判断现实实体设备的情况,完成排查检修的目的。甚至在这个过程,都不需要停工,轻松完成。

平行世界?

约瑟夫·鲁斯纳克1999年拍过一个电影叫《异次元骇客》,电影讲述了两位计算机科学家,通过复杂算法,用电脑模拟出了整个纽约。被模拟出的这个虚拟世界,精细到完全复制了现实世界的所有数据,包括每片落叶、每滴雨水、每个人的一颦一笑、每个人的爱恨情仇。

虚拟的世界中的每个个体都有自己的独立思想,而且从来没有怀疑过自己的世界是不真实的。

某种程度上,他们与现实世界成为了一个平行世界,在按自己的独立轨迹随机运行。而创造出这个模拟世界的科学家,可通过脑机接口让自己的意识进入这个虚拟世界生活。久而久之,频繁的进出现实世界与模拟世界,你会忘记了到底哪个世界是真实的。

可怕的是,两位计算机科学家的世界,也是被其他人模拟创造出来的。

后来的电影《黑客帝国》、《阿凡达》、《盗梦空间》、《头号玩家》无不透露着类似的技术思潮:仿照我们的世界,在电脑中创造一个全面且精细到恐怖的模拟世界,精细到让这个世界里的个体以为他们是真的世界,真实到让创造者进出两个世界后,分不清自己到底是真实还是虚假。

这种极致的科技,能在我们现实世界中,用最小的损失方式,模拟出各种事物的因果链和运行走向,从而提前预判现实世界中的各种可能,进而采取预防措施,从而改变未来生活方式的种种。

这种路上的尝试有很多种,比如:

数字孪生

定义数字孪生

数字孪生(Digital Twin):是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

——美国国防采办大学DAU的术语

2020年3月,中共中央政治局常务委员会召开会议提出,加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度。

新基建本质上是信息数字化的基础设施,以5G、人工智能、工业互联网、物联网为代表的新型基础设施,是我国立足当前、着眼未来的重大战略部署。可以说,信息数字化的基础设施是支撑和实现智慧城市、智能制造、智慧交通、智慧政务等行业部署的重要基础和技术手段。其中,以数字化方式再现真实的实体或系统的数字孪生技术在城市规划建设、模拟仿真测试等方面备受推崇。数字孪生,在普遍的认知里,更多是一个基础性质的概念。

这一点可以从它的定义上来判断。以目前广泛采用的定义来说,数字孪生是指利用数字技术对物体、系统、流程的信息进行实时映射,完成虚拟仿真的过程。也就是以数字化的形式对现实实体和系统进行实时的虚拟仿真。而对工业互联网、智能制造、智慧城市、智慧医疗等未来的智能领域来说,虚拟仿真是必要的环节。

说白了,数字孪生就是用数字技术模拟、仿真物理对象在现实世界中的行为。就是针对物理世界中的物体,通过数字化的手段来构建一个数字世界中一模一样的实体,借此来实现对物理实体的了解、分析和优化。它将解决的就是工业制造、城市管理、医疗创新等领域由“重”转“轻”的难题。

数字孪生、协同平台的意义?

若是以工业互联网为例,若是要检修一台大型设备,现实世界需要考虑停工的损益、设备的复杂构造等等问题,再安排人员进行实地的排查检测。毋容置疑,这是一个“重工程”。

如果,我们可以实现数字孪生,检测人员即可通过对“数字孪生体”的数据反馈,即可判断现实实体设备的情况,完成排查检修的目的。甚至在这个过程,都不需要停工,轻松完成。

但创建一个传统的、数据驱动的数字孪生(Data-driven Digital Twin)是昂贵的,导致将许多特别适合使用这项技术的公司排除在外。现在,现代设计工具可以创建模型驱动的数字孪生(Model-driven Digital Twin)来辅助产品设计的所有阶段,并对虚拟调试至关重要。

可是,数字孪生与很多新兴技术的关联性是很强的,比如物联网(IoT)、增强现实(AR)、虚拟现实(VR)等等。

数字孪生与物联网:若要实现数字孪生,必须借助传感器运行、更新的实时数据来反馈到数字系统,进而实现在虚拟空间的仿真过程。也就是说,物联网(IoT)是实现数字孪生的必然条件。只要现实中的物体联了网,能实时传输数据,才能对应的实现数字孪生。

数字孪生与增强现实或虚拟现实:在虚拟空间模拟出来的模型或镜像,如何呈现给设计人员,这便可以考虑用到增强现实(AR)或虚拟现实(VR)等技术。那么,可以这样理解,增强现实或虚拟现实是数字孪生的输出方式。

交互与协同是数字孪生的关键环节, 虚拟实体通过传感器数据监测物理实体的状态, 实现实时动态映射, 再在虚拟空间通过仿真验证控制效果, 并通过控制过程实现对物理实体的操作. 数字孪生中的交互与协同包括物理 ? 物理、虚拟 ? 虚拟、物理 ? 虚拟等形式, 涵盖人、机、物、环境等多种要素.其中, 物理 ? 物理交互与协同可以使物理设备间相互通信、协调与协作, 以完成单设备无法完成的任务; 虚拟 ? 虚拟交互与协同可以连接多个虚拟模型, 形成信息共享网络; 物理 ? 虚拟交互与协同使虚拟模型与物理对象同步变化, 并使物理对象可以根据虚拟模型的直接命令动态调整。

当前, 数字孪生深层次交互与协同方面的研究还比较少,仅在实时数据采集、人机交互等理论上有部分研究.“物理融合、模型融合、数据融合、服务融合” 四个维度的融合框架可以为实现数字孪生的交互与协同提供参考框架。

数字孪生能为产业发展带来的价值和形式远远低于科幻电影所呈现的。

但是,这并不影响各大企业对于数字孪生技术的追捧。比起眼前的应用价值,数字孪生更重要的价值在于为未来发展提供更多的可能性。

雄安新区的市民服务中心地下综合管廊的建设就是先建立管廊系统全数字模型,进行工程数字模拟、快速精确算量后才开启,以此达到减少施工变更、有效控制成本的目的;杭州萧山区的红绿灯则通过阿里云ET城市大脑进行自动调配,来缩短救护车的通达时间,等等。

这一切的实践少不了数字孪生的落地应用。

实际上,在目前BATH的智慧城市建设项目上,数字孪生都是不可缺位的一环。

在“现实”与“虚拟”之间来回跳转,数字孪生成为人类探索未来发展最为关键,也是具备可行性的一条路径。

未来何去何从?

数字孪生之热,风口之强劲,乃至全球最具权威的IT研究与顾问咨询公司Gartner将数字孪生列为当年十大战略科技发展趋势之一。

世界最大的武器生产商洛克希德马丁公司2017年11月将数字孪生列为未来国防和航天工业6大顶尖技术之首。事实上,数字孪生间接的影响了智慧城市、人工智能、安防三大行业的未来发展趋势。

2019年,Gartner继续认为2019年十大战略性技术趋势中,数字孪生技术(Digital Twin)被认为在未来5年将产生破坏性创新,并带来商业机遇。也就是说,数字孪生在10年内都具有颠覆性。

科大讯飞轮值总裁陈涛说,可把数字孪生城市看成“一半是科幻、一半是科学”,即数字孪生城市=数字城市+智慧场景+“城市超脑”。

在物理城市的基础上,形成精准对应的数字化孪生城市。在数字模拟城市里,系统可以自动运转,辅助人类进行城市的精细化管理。

类似于“流浪地球”计划分为五步走一样,“城市超脑计划”也将分为五步:

第一步是建立“时空记忆”,打通数字孪生模型与实际数据;

第二步是数据贯穿,如交通、安防、小区的摄像头统一,保存车、人、物流动的信息;

第三步是发现问题;

第四步是更新知识;

第五步是持续成长。

显然,在利用科学手段迈向数字孪生城市的理想目标上,很多企业早已率先迈出一步。近年来,肯汀智能也与BATH等多家合作伙伴达成战略共识,并积极参与智能化项目进程,在技术层面上融合物理仿真、智能交互等要素,全面赋能智慧教育、数字园区、智慧交通以及智慧城市等领域。

很多人说,从“现实”到“虚拟”,「数字孪生」正处于探索进行时,在各行各业都讲究“智能化”、“网络化”、“数字化”,而这些的实现恰是“数字孪生”应用落地所导向的标准。“数字孪生”概念的出现,很大程度上为人类的未来想象提供了一条愈发清晰的探索之路。

在这个探索的过程中,数字孪生也“充分”地暴露着人类的野心。

说是“镜像”,说是“仿真”,其实人类在期望用数字化的技术在重建一个物件、一个系统、一个城市,甚至一个世界。

似乎有些天方夜谭,但是确实有企业致力于此。

比如51WORLD,作为数字孪生行业的知名企业,其愿景就是创造一个真实、完整且恒久的数字孪生世界。为实现这一愿景,51WORLD启动了「地球克隆计划」,于每年12月举办地球克隆计划发布会,向外界传达计划进程。

但是,重建一个世界,未来的数字孪生或许更应该关注,如何重塑一个产业或是为企业创造价值。

而那些早已窥得先机的企业,已经尝到了甜头!

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