文|智東西 李水青

編輯|心緣

萬萬沒想到，這屆北京冬奧會不僅火了冰雪運(yùn)動員谷愛凌、吉祥物“冰墩墩”，還火了“數(shù)字孿生”這一貫穿冬奧會各個場館臺前幕后的“高科技”。

數(shù)字孿生（Digital Twin）也稱數(shù)字雙胞胎，顧名思義，就是根據(jù)真實(shí)世界再創(chuàng)一個與之1：1映射的數(shù)字虛擬世界，讓人們在其中去預(yù)演真實(shí)世界，控制真實(shí)世界。在本屆冬奧會中，從谷愛凌飛躍的大跳臺到開幕閉幕場館“鳥巢”，甚至是背后的電力運(yùn)維系統(tǒng)，無一不用到了這一聽起來和“元宇宙”一樣神秘的技術(shù)方案。

這就好比是，在冬奧會打造“第二個冬奧”。

1月19日，北京冬奧組委發(fā)布公告稱，冬奧會“場館仿真系統(tǒng)”名列奧運(yùn)經(jīng)濟(jì)遺產(chǎn)分冊中“科技冬奧”板塊第三類首位。該系統(tǒng)正是基于數(shù)字孿生模型，奧林匹克廣播服務(wù)公司（OBS）主席雅尼斯先生稱其為“擁抱未來的技術(shù)”。

▲國家速滑館數(shù)字孿生操作系統(tǒng)界面

實(shí)際上，源于工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)字孿生技術(shù)在過去幾年里已經(jīng)風(fēng)靡起來，在中國各大城市、無數(shù)園區(qū)中如雨后春筍般落地實(shí)踐，無論是天津?yàn)I海的數(shù)字孿生城市，還是北京通州的數(shù)字孿生小鎮(zhèn)，或是湖北三峽的水壩運(yùn)維，都已經(jīng)用上了“數(shù)字孿生”技術(shù)。

冬奧會數(shù)字孿生方案可以說是數(shù)字孿生城市技術(shù)在體育場館這一細(xì)分領(lǐng)域的集中爆發(fā)。

再看看產(chǎn)業(yè)，我們看到包括華為、阿里、騰訊、英特爾、京東、百度等在內(nèi)的科技巨頭全都深度入局，以及眾多像泰瑞數(shù)創(chuàng)、51World、優(yōu)锘科技這樣的創(chuàng)企也已賺得盆滿缽滿。去年以來，一股“元宇宙”的熱風(fēng)更把數(shù)字孿生這一背后核心技術(shù)吹得熱火朝天，吸引資本紛紛入局。

中國工程院院士倪光南在2019數(shù)博會“數(shù)字孿生城市建設(shè)與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新全球峰會”上說：“（數(shù)字孿生城市）這個題目目前來講我在全國第一次見到，甚至全球可能也是第一次，相信會引領(lǐng)以后的潮流?！?/p>

從今年冬奧會來看，數(shù)字孿生技術(shù)引領(lǐng)世界潮流的一天似乎已經(jīng)要來了。

01.史上首屆“數(shù)字孿生”冬奧會

對于奧運(yùn)賽事轉(zhuǎn)播商OBS來說，為了在冬奧會中讓電視機(jī)前的觀眾看到冰雪賽事的最佳角度，他們往往需要提前親自前往現(xiàn)場，進(jìn)場館、爬雪山進(jìn)行查勘，拿相機(jī)模擬拍攝切播。

然而今年，受疫情影響難以及時(shí)到場，許多在國外的OBS同事轉(zhuǎn)而找到了一個新辦法——通過一個在電腦桌面上虛擬的數(shù)字孿生場館，他們就遠(yuǎn)程模擬了鏡頭的點(diǎn)位、參數(shù)及切播順序，進(jìn)而在真實(shí)場景中直接應(yīng)用。

▲通過數(shù)字孿生場館系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)播方案設(shè)計(jì)

如果說今年冬奧會是一場科技冬奧，那么“含科量”最高的一定可以算上這一“高科技”——數(shù)字孿生。

一般認(rèn)為，數(shù)字孿生（Digital Twin）概念在2011年首次被美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室提出，并被美國通用電氣、德國西門子等企業(yè)用于工業(yè)領(lǐng)域。近年來，數(shù)字孿生被我國引入到智慧城市、園區(qū)等領(lǐng)域——通過構(gòu)建一個信息維度上的城市/園區(qū)，讓兩者像一對雙胞胎一樣共同存在，從而操控真實(shí)場所。數(shù)字孿生這一近年在國內(nèi)興起的技術(shù)，在本屆冬奧會的多個場景中可以說“全面開花”。

讓我們先看向冬奧會開幕、閉幕的場館鳥巢，一個復(fù)刻鳥巢的“數(shù)字孿生操作系統(tǒng)”在儀式期間動態(tài)采集設(shè)備的運(yùn)行情況、環(huán)境變化、人流聚集疏散情況。

其實(shí)，在表演創(chuàng)排階段，數(shù)字孿生系統(tǒng)已經(jīng)起到了作用。比如，開幕式第一個節(jié)目《立春》，如何讓近400名演員同時(shí)揮舞發(fā)光棒互不干擾就是一個難題，而這些都是通過數(shù)字孿生仿真技術(shù)模擬實(shí)際效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)的。

再看看冬奧會賽事現(xiàn)場，在12個冬奧會競賽場館、3個奧運(yùn)村、冬奧會主媒體中心和北京冬奧組委等多個場所，一個名為VSS的數(shù)字孿生場館模擬仿真系統(tǒng)正在運(yùn)轉(zhuǎn)工作。該系統(tǒng)由英特爾聯(lián)合北京電影學(xué)院、視伴科技等機(jī)構(gòu)打造。

據(jù)悉，基于該系統(tǒng)，奧組委可以遠(yuǎn)程對場館內(nèi)的設(shè)置提出修改意見，減少實(shí)地勘查的時(shí)間成本與疫情防控風(fēng)險(xiǎn)；奧運(yùn)轉(zhuǎn)播團(tuán)隊(duì)可以直接通過模擬拍攝角度選擇合適的機(jī)位；冬奧會運(yùn)動員們無需來到現(xiàn)場就能選擇自己心儀的房間，提前看現(xiàn)場，甚至模擬訓(xùn)練……

▲通過數(shù)字孿生場館系統(tǒng)遠(yuǎn)程提前看賽場

英特爾技術(shù)專家告訴我們，剛剛播出的冰球比賽頒獎就用到了這套數(shù)字孿生系統(tǒng)。冰球頒獎需要一個個團(tuán)隊(duì)逐一上場，志愿者、頒獎人員及現(xiàn)場的流程、音樂等調(diào)度工作復(fù)雜。為了頒獎現(xiàn)場順利推進(jìn)，組委會通過數(shù)字孿生系統(tǒng)用幾支模擬隊(duì)伍及其他模擬要素進(jìn)行了模擬彩排，從而大大節(jié)省了彩排時(shí)間和次數(shù)。

賽事研判、選手訓(xùn)練等場景可能也用到了數(shù)字孿生技術(shù)。根據(jù)中國信通院發(fā)布的《數(shù)字孿生城市優(yōu)秀案例匯編（2021年）》，其中第一個典型案例就是來自51World公司的“雪場賽道數(shù)字孿生分析系統(tǒng)”。

按照報(bào)告描述，當(dāng)滑雪運(yùn)動員從陡峭的賽道上躍起，多個傳感器已實(shí)時(shí)捕捉他的運(yùn)行軌跡，并把數(shù)據(jù)上傳到后臺的雪場賽道數(shù)字孿生分析系統(tǒng)中，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、輔助賽事研判、模擬轉(zhuǎn)播等。

數(shù)字孿生更滲透進(jìn)冬奧場館的深度運(yùn)維中，根據(jù)主流媒體報(bào)道，在本次冬奧會三個賽區(qū)的數(shù)十座場館里的電力調(diào)配，正是由一個數(shù)字孿生電力“智慧大腦”掌控。這是北京優(yōu)锘科技公司助力國家電網(wǎng)北京電力建設(shè)的電力運(yùn)行保障指揮平臺，是奧運(yùn)史上首次電力業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化、智能化的全景監(jiān)視。

從前臺開幕式、賽事，到后臺的場館管控、基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)滲透到了冬奧會的各個環(huán)節(jié)。背后，這些系統(tǒng)又是如何運(yùn)作的？有什么樣的技術(shù)邏輯？我們和行業(yè)技術(shù)專家們聊了聊。

02.冬奧會場館的“數(shù)字孿生”是如何實(shí)現(xiàn)的？

冬奧會的數(shù)字孿生場館系統(tǒng)是如何運(yùn)作的？

一位深度參與VSS系統(tǒng)的英特爾技術(shù)專家告訴我們，拿“大跳臺”模擬轉(zhuǎn)播來說，導(dǎo)播團(tuán)隊(duì)的操作可以大致分為以下幾步：

1、將操作界面接入大跳臺的數(shù)字孿生系統(tǒng)中。2、把數(shù)字孿生系統(tǒng)中的攝像機(jī)挪動到合適的位置，同時(shí)把攝像機(jī)的參數(shù)調(diào)到適合的焦距、光圈等。3、各機(jī)位模擬完后，從各個俯視圖、正視圖去看它拍攝的角度畫面。4、最后輸出一個匯聚各個切播鏡頭的視頻，模擬出來后在真實(shí)應(yīng)用中去復(fù)制方案。

可以看到，這是一個通過數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)線上線下遠(yuǎn)程協(xié)作的典型應(yīng)用。那么背后的數(shù)字孿生系統(tǒng)又是如何建成的？

在解答這個問題前，讓我們先來總結(jié)下這些數(shù)字孿生系統(tǒng)有什么樣的共性。實(shí)際上，盡管數(shù)字孿生技術(shù)被應(yīng)用到了賽場、開幕式、電力運(yùn)維等各個方面，但作為數(shù)字孿生城市在細(xì)分領(lǐng)域的落地，理論上它們的功能不外乎以下四個：

1、模擬仿真。對現(xiàn)實(shí)場景進(jìn)行線上復(fù)制，支持線上模擬預(yù)演等動作。

2、全息動態(tài)感知。數(shù)據(jù)集中在一個平臺并實(shí)現(xiàn)可視化，并盡量實(shí)時(shí)動態(tài)更新。

3、實(shí)時(shí)診斷。通過AI等技術(shù)對采集數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化分析，該系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)報(bào)警、診斷事件因果等功能。

4、決策建議。通過知識圖譜等技術(shù)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)模擬現(xiàn)實(shí)世界情況給出措施建議。

總的來說，在這四個功能中，模擬仿真是基本上所有數(shù)字孿生系統(tǒng)標(biāo)配的功能，而后三者則是在此基礎(chǔ)上的疊加。

搭建一個具備基本功能的數(shù)字孿生系統(tǒng)需要哪些步驟？結(jié)合業(yè)內(nèi)人士的解讀，我們可以將實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生簡單分為三步：首先需要將物理空間的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)感知并翻譯為一組數(shù)據(jù)，然后通過建模將數(shù)據(jù)還原映射，形成一個孿生的物理模型，最后利用AI算法技術(shù)對相關(guān)信息進(jìn)行解析，指導(dǎo)決策。

英特爾技術(shù)專家告訴我們，冬奧會是一個非常大的平臺，驗(yàn)證了數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。過去，人們都是在“一張平面圖”上（對奧運(yùn)賽事）進(jìn)行規(guī)劃，現(xiàn)在，人們是在“一張立體圖上”規(guī)劃，以此促進(jìn)了24小時(shí)多人遠(yuǎn)程無紙化互動，同時(shí)還支持?jǐn)?shù)字化資產(chǎn)的傳承和轉(zhuǎn)移。

實(shí)際上，從“一張平面圖”到“一張立體圖”的轉(zhuǎn)變背后，更深層次的意義是通過全域數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可視化，挖掘數(shù)據(jù)的最大價(jià)值。

而這，其實(shí)是一場在中國智慧城市產(chǎn)業(yè)中長達(dá)五年的技術(shù)試驗(yàn)成果在一次國際性展會中的大檢閱。

03.五年“數(shù)字孿生城市”技術(shù)大爆發(fā)

業(yè)內(nèi)人士告訴我們，本次冬奧會各大場館中涌現(xiàn)出的不同數(shù)字孿生系統(tǒng)，是既有數(shù)字孿生城市技術(shù)積淀實(shí)力的一次集中爆發(fā)。

“數(shù)字孿生城市”的提法應(yīng)該是在2017年前后起于數(shù)字雄安新區(qū)項(xiàng)目。雄安新區(qū)是萬眾期待的“數(shù)字之都”，隨著雄安打響“數(shù)字孿生城市”建設(shè)的第一槍，近幾年來，數(shù)字孿生城市在城市綜合治理等大場景中陸續(xù)試點(diǎn)，在許多園區(qū)、校園等中小型場景中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了規(guī)模性突破，這才為其在本屆冬奧會中發(fā)揮作用奠定了基礎(chǔ)。

2021年以來我國進(jìn)入“十四五”時(shí)期，數(shù)字孿生城市先被寫進(jìn)《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，而后2021年12月，國務(wù)院印發(fā)《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》，首次明確提出“提升城市綜合管理服務(wù)能力……因地制宜構(gòu)建數(shù)字孿生城市。”

數(shù)字孿生城市建設(shè)在國家層面定調(diào)，是對過去幾年來數(shù)字孿生城市建設(shè)總結(jié)升華。

最早在2018年11月，住建部選擇通州、廣州、南京、廈門、雄安為首批5個CIM（城市信息模型平臺）試點(diǎn)，由此拉開了數(shù)字孿生城市建設(shè)的序幕。

CIM是一個具有城市語義信息的“三維模型”。數(shù)字孿生城市與智慧城市可以說共用基本技術(shù)架構(gòu)，但最大的區(qū)別是為其加了一個CIM底座，它需要基于新型測繪、標(biāo)識感知、虛擬現(xiàn)實(shí)、模擬仿真等技術(shù)對城市數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)城市的三維重建。

2020年10月，住建部又再次組織在重慶、太原、南京等16個城市開展“新城建”試點(diǎn)，其中CIM平臺建設(shè)是試點(diǎn)的必選內(nèi)容之一。

2021年6月，住建部經(jīng)過梳理各地CIM基礎(chǔ)平臺建設(shè)發(fā)現(xiàn)，個別地區(qū)對于“什么是CIM基礎(chǔ)平臺”存在認(rèn)識不一、模糊不清等問題，因此，印發(fā)《城市信息模型（CIM）基礎(chǔ)平臺技術(shù)導(dǎo)則》，首次明確回答了“什么是CIM基礎(chǔ)平臺”這一基礎(chǔ)問題。

進(jìn)入2021年，CIM這一新物種已經(jīng)在全國上下遍地開花。根據(jù)中國信通院報(bào)告，全國CIM相關(guān)標(biāo)數(shù)從2018年的2項(xiàng)增長至20221年（截至10月底）的149項(xiàng)，增長率超200%，遠(yuǎn)大于智慧城市增速，總費(fèi)用超過30億元。

而全國的數(shù)字孿生案例，已經(jīng)涌現(xiàn)出了濟(jì)南泉域四維地質(zhì)環(huán)境可視化信息系統(tǒng)平臺、成宜智慧高速數(shù)字孿生應(yīng)用場景、天津?yàn)I海數(shù)字孿生城市、廣州“穗智管”城市運(yùn)行管理中樞項(xiàng)目等多個知名的城市數(shù)字孿生標(biāo)桿項(xiàng)目。

04.智慧城市的“升維賽道”，創(chuàng)企與巨頭共舞

前面提到，由于僅僅是在智慧城市的框架上增加了一個CIM底座，數(shù)字孿生城市也基本沿用了智慧城市的技術(shù)架構(gòu)。這里，我們可以帶著不太了解智慧城市基本技術(shù)架構(gòu)的讀者看看：

首先，在底層的ICT架構(gòu)方面，數(shù)字孿生城市與智慧城市共用一整套云、邊、網(wǎng)、端基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)；

然后往上，是城市數(shù)據(jù)平臺，類似京東城市操作系統(tǒng)、華為“沃土”數(shù)字平臺、浪潮數(shù)字城市底座等，將所有場景的數(shù)據(jù)匯聚到一個平臺中。數(shù)字孿生城市要求在這一層面匯聚更多的時(shí)空數(shù)據(jù)、高精地圖信息、運(yùn)行數(shù)據(jù)等，可能將數(shù)據(jù)量大大擴(kuò)展。

最后是最上面的應(yīng)用層，常見的包括城市大腦、運(yùn)營智慧中心、交通指揮中心等，數(shù)字孿生城市可能會增加更多仿真模擬推演等應(yīng)用。

數(shù)字孿生城市與智慧城市在技術(shù)架構(gòu)上基本沿用，也意味著在產(chǎn)業(yè)鏈上也基本重合，覆蓋了包括網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商、系統(tǒng)集成商、ICT企業(yè)、云服務(wù)商等多層玩家。

當(dāng)下，可以看到我們熟知的科技巨頭都已經(jīng)大力布局?jǐn)?shù)字孿生城市。

除了本次冬奧會中推動數(shù)字孿生場館系統(tǒng)的英特爾，比如阿里的楊浦區(qū)城運(yùn)中心“一網(wǎng)統(tǒng)管”項(xiàng)目、阿里云智慧水利數(shù)字孿生應(yīng)用場景都已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)的標(biāo)桿項(xiàng)目；騰訊與重慶市住建委聯(lián)合發(fā)布的微瓴智能建造平臺，已接入108個項(xiàng)目試點(diǎn)，建立了基于CIM的智能建造“一張圖”……這些都是巨頭們深度入局的佐證。

與此同時(shí)，一些體量不大的空間視覺類企業(yè)也憑借突出的創(chuàng)新能力，獲得與大型數(shù)字孿生項(xiàng)目合作的機(jī)會。包括泰瑞數(shù)創(chuàng)、51World、北京數(shù)字冰雹、優(yōu)锘科技等都推出了自己的“拳頭”數(shù)字孿生平臺或產(chǎn)品，直接或間接參與本次冬奧會的數(shù)字孿生方案。

數(shù)字孿生城市依賴智慧城市中的ICT、城市數(shù)據(jù)平臺等基礎(chǔ)設(shè)施，這也意味著三大運(yùn)營商、華為、阿里、騰訊、英特爾這樣的科技巨頭依然占據(jù)著主導(dǎo)地位。與此同時(shí)，空間視覺、數(shù)據(jù)智能領(lǐng)域的創(chuàng)企由于具有更加聚焦的創(chuàng)新能力，也出現(xiàn)在各大項(xiàng)目背后，賺得盆滿缽滿。

一方面，新玩家依賴科技巨頭建好的“一張藍(lán)圖”，另一方面，“一張立體圖”帶來的新要求也不僅僅是二維視覺變?nèi)S視覺，而是對全域數(shù)據(jù)的收集、匯聚和處理應(yīng)用能力，以及更加綜合全面的城市治理能力。

當(dāng)下，數(shù)字孿生的發(fā)展也面臨一些挑戰(zhàn)。英特爾技術(shù)專家告訴我們，數(shù)字孿生方案會帶來很多數(shù)字資產(chǎn)，數(shù)字資產(chǎn)保護(hù)可能面臨挑戰(zhàn)。同時(shí)，隨著我們將數(shù)字孿生系統(tǒng)進(jìn)行“上云”，數(shù)字孿生方案需要傳輸、計(jì)算能力，以及邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)、前端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備蓬勃發(fā)展，同時(shí)需要硬件、編解碼能力提高，從而實(shí)現(xiàn)更加流暢的數(shù)字孿生體驗(yàn)。

總的來看，數(shù)字孿生城市產(chǎn)業(yè)是一個生長在智慧城市產(chǎn)業(yè)鏈上的“升維”賽場，需要端、邊、網(wǎng)、云、芯等多個環(huán)節(jié)的玩家合力，共同挖掘出現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)的更大價(jià)值。

05.結(jié)語：冬奧會印證數(shù)字孿生技術(shù)的長期價(jià)值

本屆冬奧會已經(jīng)在不經(jīng)意間成為了一場中國科技博覽會，包括數(shù)字孿生、云轉(zhuǎn)播、機(jī)器人等眾多“高科技”都扛起大梁。不過，這些技術(shù)大多并不是為了大會趕工而來，而是中國科技發(fā)展到一定程度，在一場盛會上自然而然地落地展現(xiàn)。

“數(shù)字孿生”可以說是本屆冬奧會中“含科量”最高的技術(shù)之一，實(shí)際上，它并不是單純的一個模擬仿真技術(shù)，而是融合了云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、VR等多種技術(shù)的綜合體，使命則是將更多的數(shù)據(jù)價(jià)值發(fā)掘出來。

這些“高科技”不僅為冬奧會帶來真實(shí)便利，隨著被更多人了解，它們也有望在今后被更多領(lǐng)域被復(fù)用。