如果一個系統能實時呈現城市的“脈搏”，是不是非常酷炫？

    Gartner十大被期待的技術之一，工業互聯網皇冠上的明珠，數十億市場規模，由工業場景邁向城市，GE、西門子、微軟、阿里巴巴重點布局——這就是數字孿生（Digital Twin）的基本面。

    2019年以來有兩次A股熱炒的概念，一是邊緣計算，另一個就是數字孿生，多支相關股票出現漲停。

    尤其是當波音737MAX8型飛機出現嚴重墜毀事故以及法國巴黎圣母院被焚毀，圍繞數字孿生技術的討論更是掀起高潮。

    從資本投入力度上看，中國智慧城市技術相關投資達到 208 億美元（僅次于美國）。

    而數字孿生城市的提出，無疑為智慧城市建設注入了新的活力：帶動相關產業的技術研發投入，促進地方政府加大對智慧城市的建設投資。

    目前來看，大廠入局，工業場景啟用，但整體賽道還略顯稚嫩，各路玩家仍處在探索自己技術和商業法則的建立階段，遠遠沒到到實力PK的競爭期。

    畢竟，這一概念被引進國內才幾年時間，距離廣泛應用還比較早期，智慧城市主賽道是城市大腦及各種城市級應用，包括數字政府。

    數字孿生將會是一塊有著巨大利益點的蛋糕，非常之誘人。

    緣起空間探索，后進入國防工業

    數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教授Dr. Michael Grieves。

    他在一篇文章中首次提到“Digital Twin”，并認為通過物理設備的數據，可以在虛擬（信息）空間構建一個可以表征該物理設備的虛擬實體和子系統，并且這種聯系不是單向和靜態的，而是在整個產品的生命周期中都聯系在一起。

    而將這種理念付諸實踐的則是NASA，比如為其阿波羅計劃開發了兩種相同的太空飛行器，以反映地球上太空的狀況，進行訓練和飛行準備。

    洛克希德·馬丁公司視數字孿生為未來國防工業6大頂尖技術之首，美國GE（通用）公司已為每個引擎、每個渦輪、每臺核磁共振創造了一個數字孿生體，通過這些擬真的數字化模型，在虛擬空間調試、實驗，以讓機器的運行效果達到最佳。

    此前，Gartner發布了2019年十大戰略性技術趨勢，這些趨勢并非概念技術，而是已經有了決定性的突破，將發展成更廣泛的應用，其高度波動性在未來五年內達到臨界點。

    這些趨勢中包括人工智能、數字孿生、邊緣計算、量子計算、沉浸式技術、區塊鏈、智能空間等，同時這些技術之間的聯系越來越緊密。

    Gartner Fellow兼副總裁David Cearley認為，無處不在的智能設備提供各種基于大數據的貼心服務，將是科技的未來。Gartner稱之為Intelligent Digital Mesh。

    何為數字孿生？ 以虛控實的仿真過程

    對于工業互聯網行業的人士來說，數字孿生一詞已經是老生常談。

    根據國際統一的定義，數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、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，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。

    理解下來，數字孿生是一種超越現實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統的數字映射系統。

    工業互聯網是絕對的第一大場景，比如機器安裝、產線安裝，建立一個生產環境的虛擬版本，整個環境都是要用數字化的方式來描述。這迎合的是工業互聯網的產業數字化大背景。

    在該技術之下，工程師不僅能看到產品外部變化，更使內部零件動態的觀察成為可能。例如，通過數字3D模型，我們可以看到汽車在運行過程中發動機內部的每一個零部件、線路、各種接頭的每一次變化，從而可以對產品進行預防性維護。

    目前主流的西門子、GE、施耐德等廠商早已在使用這套技術來優化工業流程。

    一直以來，有個“工業領域 1%的革命”說法：生產效率提升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，發電廠的汽輪機推力軸承改變了位置，使汽輪機的軸向位移從-0.29 mm變為-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范圍內。但是，汽輪機要承受極端的溫度、壓力和作用力，即使微小的變化也可能造成巨大的損失。

    但是在沒有干預的情況下，止推軸承將繼續移動，軸向位移繼續移動。等到工廠控制中心響起警報并發現偏差時，損壞已經造成：渦輪機必須脫機、零件將需要更換、電力生產數據將丟失。電力生產商的總成本是 245000美元。

    幸運的是，對于電力生產商來說，這是他們不必支付的成本。

    位于巴黎的GE 數字工業管理服務中心的工程師使用汽輪機的“數字孿生系統”觀察到了偏差，并進行了提前預測，確保巨大損失無從發生。

    截至2018年，GE已經擁有120萬個數字孿生體，可以處理300000種不同類型的設備資產。此外，據Gartner稱：

    “到2021年，一半的大型工業公司將使用數字孿生，從而使這些組織的有效性提高10%。”

    細想，這將是巨大的開支節省，也相當于是變相盈利了。在國內，樹根互聯、研華科技、軟通動力等均在布局。

    城市如何用上“數字孿生”？

    對于一項技術而言，城市場景更加宏大，從工業走向城市場景是必然。

    據預測，到2022年，85％的IoT平臺將使用某種數字孿生技術進行監控，少數城市將率先利用數字孿生技術進行智慧城市的管理。

    Bentley Systems這家公司位于美國，是目前業內比較活躍的數字孿生廠商，他們目前正在努力使其數字孿生云服務從基礎設施工程“爬坡”到整個城市規模。

    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和數據（ET），并與傳統信息技術（IT）和新連接的操作技術（OT）聯合。”

    言外之意是，對于基礎設施專業人員（包括現實網格、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（GIS）通過4D數字孿生模型得到了有效的推進。

    這是一種典型的細分場景與城市場景結合的可能性。

    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地第一個數字孿生系統，使當地政府官員能夠管理許可程序、監視施工進度并評估設計計劃，使他們能夠了解諸如建筑物如何響應高溫高濕氣候等事宜。

    新加坡為其“虛擬新加坡”（Virtual Singapore）項目投資了7300萬美元，建成之后，這將是一個權威的數字三維城市模型和數據協作平臺，可以被政府機構，企業和研究人員用作測試平臺，以建設更具彈性的城市。

    虛擬新加坡

    在國內從業人員看來，數字孿生主要在地理信息這個行業發生催化作用，比如用無人機群為城市提供基于圖像掃描的城市數字模型，街道、社區、娛樂、商業等各功能模塊都將擁有數字模型。

    這個當前部分城市已經實現。 比如深圳市從 2018 年 12 月開始就啟動了全市的虛擬城市環境數據采集工作，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，預計將在今年年底完成相關工作。

    這種模式下，數字化將進入電力線、變電站、污水系統、供水和排水系統、城市應急系統、Wi-Fi網絡、高速公路、交通控制系統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、軟件系統里面，還有一個和它一一對應的數字孿生的雄安的模型。

    悉尼新南威爾士大學（UNSW Sydney）建筑環境學院教授、《太陽能光伏建筑設計》一書的作者德奧·普拉薩德（Deo Prasad）在接受雷鋒網專訪時提到，智能技術什么時候走到發揮作用的“臨界點”？也就是數字孿生城市到來的那天。

    “現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，也不能創造新價值，肯定是沒有辦法做下去的。現在這個行業的全球產值是1萬億美元，中國有很多智慧城市的產品早就已經在全球行銷了，而且也掙到錢了。”

    他覺得數字孿生對于城市場景下的效率提升，是最重要的價值。

    賽道里的玩家：巨頭與初創“并軌”

    時至今日，數字孿生除了在工廠中實際應用，這項技術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是全球技術投入最高的科技公司，也是技術布局最廣泛的巨頭之一，范圍幾乎涵蓋Garnter 2019年十大技術報告的所有內容。

    微軟高調公開的Azure Digital Twin服務，能夠創建任何物理環境的數字模型，包括連接它們的人員、地點、事物、關系和流程，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據，而不僅僅是查詢單獨的傳感器。該服務將成為Azure IoT平臺的一部分

    Azure Digital Twin 與 Azure IoT的關系

    阿里巴巴城市大腦的團隊一直保持著“交通智能”、“城市智能”、“生態智能”的梯次進化思考，并總結出3條“城市大腦”的衡量標準：

    1）能夠實時處理人所不能理解的超大規模全量多源數據（整體認知）；

    2）能夠洞悉人所沒有發現的復雜隱藏規律（機器學習）；

    3）能夠制定超越人類局部次優決策的全局最優策略（全局協同）。

    阿里城市大腦三步走戰略

    與之相反，局限于單一數據來源、只賣設備不懂業務場景、數據實時處理規模存在上限的“偽城市大腦”則會給城市帶來更多復雜性風險。

    阿里巴巴副總裁劉松此前也提到，目前的城市建設只能規劃到城市未來10年的發展，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，而數字孿生技術預測城市100年后的變化，這是最大的區別。

    “工業界提出數字孿生，汽車制造、飛機制造得以應用，但數字孿生城市更加雄偉。目前每10年生活方式都會反轉一次，未來都是以100年來計算。10年對100年，這是矛盾，但數字孿生是好的嘗試，數據是其基礎介質。”

    2019年3月，達摩院視覺智能團隊推出“數字平行世界”。相比較阿里之前“城市大腦”的一些系統和場景，“數字平行世界”的這套系統實際上從城市的基本數據的感知、分析、提煉真正走進了城市的三維架構，從外觀信息升級到了內外部結合的領域，更底層更深入，實操性和實用性會更強。

    科大訊飛一直有“訊飛超腦”的智慧城市解決方案，也涉及到數字孿生技術。

    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，在物理城市實施。這就是用鮮活的數據激活城市、解決城市病的邏輯。

    泰瑞通過一張網服務覆蓋全球主要城市(柏林、倫敦、里昂、巴黎、舊金山、摩納哥)

    泰瑞數創是這個領域里一支成熟的團隊，自2004年成立以來，已在數字孿生城市建設涉及的六大核心技術中掌握了4項，分別是新型測繪、全要素表達、模擬仿真、深度學習，其余兩項是標識感知、協同計算。

    泰瑞最早創立與國家測繪地理信息局相關，為國家安全部門提供相關技術。城市、工業、智能駕駛是該公司3大戰略方向。泰瑞獲得過啟迪金控和中信建投等機構過億元投資。

    51Sim-One自動駕駛仿真平臺

    51VR也是以VR/AR、AI等先進技術為主攻方向的賽道選手。其做法是運用GIS、高程、無人機斜拍點云、衛星圖、街景圖等技術和數據，能夠快速自動化構建大規模數字孿生城市模型，復原城市的每個細節，約6小時即可實時渲染構并構建數千平方公里的 L2 級別數字孿生城市。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，數字孿生城市的建設，正在激活龐大的地理信息技術產業鏈。

    此外，中科院、電信運營商、數字冰雹、佳都科技、蘇美達、軟通動力等企事業單位均在發力與布局數字孿生的賽道。

    夸克與比特的引力加強，新的技術路徑成型

    從工業走向城市，數字孿生將面臨更加復雜的局面，因此建設節奏也會相對緩慢。

    但不可否認的是，數字孿生是一條新興技術路徑，是城市智能化的前沿模式。

    也是在這種模式驅動下，IoT、邊緣計算、云計算、大數據等將承載更重要的使命，多技術集成將使得創新需求更加旺盛。

    Gartner預測，到2020年，傳感器與終端節點的連接數將達到210億，數字孿生將由此創造數10億美元的價值。

    在我國，工信部以及多個地方政府開始提出推進數字孿生技術應用，行業將有望迎來新的催化。

    當然，這項號稱具有“顛覆性、破壞性創新”的技術還比較早期，核心應用場景亟待補充，數據治理結構的提升空間依然很大，賽道玩家需要證明自身實力，從局部走向全局優化。

    這一次，物理世界的夸克和數字世界的比特，將迎來更加緊密的聯系。（雷鋒網雷鋒網）