文|Alter
數(shù)字孿生在近幾年里的出鏡率越來越高。
單從字面意義上看，“數(shù)字孿生”屬于是“Digital Twin”的直譯，幾乎很難從文字上直接讀懂背后的內(nèi)涵。百度百科則將“數(shù)字孿生”形容為一種超越現(xiàn)實(shí)的概念，涉及仿真、映射等多個(gè)技術(shù)課題。
數(shù)字孿生在國內(nèi)被討論最多的場合，往往是智慧城市相關(guān)的峰會(huì)論壇上，甚至已經(jīng)在某種程度上和未來城市掛鉤。打一個(gè)比方的話，數(shù)字孿生技術(shù)提供了一種新的管理范式，用鼠標(biāo)就可以“操作”城市。
所以本文想要討論的話題是：到底什么是數(shù)字孿生，為何數(shù)字孿生城市備受追捧，以及數(shù)字孿生的應(yīng)用場景有多寬？
01 一個(gè)“超綱”的設(shè)想
每每提及數(shù)字孿生時(shí)，不少人習(xí)慣性地將話題引向了上世紀(jì)六十年代的阿波羅計(jì)劃，NASA的工程師們?cè)炝藘蓚€(gè)一樣的飛行器，留在地球上的被稱為“孿生體”，用來模擬任務(wù)飛行器的實(shí)時(shí)狀態(tài)。
這個(gè)故事只在解釋了“孿生”概念的來源，“數(shù)字孿生”的理論研究還要追溯到2002年。
據(jù)傳是美國密歇根大學(xué)教授Michael Grieves博士在PLM中心的演講中，首次提及了數(shù)字孿生的概念，模型中同時(shí)出現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)空間和虛擬空間，兩個(gè)空間的數(shù)據(jù)可以自由流動(dòng)，后來被定義為鏡像空間模型。直到2011年的時(shí)候，Michael Grieves博士才在書中采用了術(shù)語“數(shù)字孿生”。同一年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)力學(xué)部門提出了用數(shù)字孿生概念進(jìn)行戰(zhàn)斗機(jī)維護(hù)的創(chuàng)新想法。
不管這樣的傳言是否屬實(shí)，數(shù)字孿生在2002年時(shí)都是一個(gè)“超綱”的設(shè)想，彼時(shí)的計(jì)算機(jī)技術(shù)遠(yuǎn)不足以支撐這樣的項(xiàng)目，理論研究也處于靜默狀態(tài)，以至于Michael Grieves博士都很難找到確鑿的文獻(xiàn)或影像資料自圓其說。
數(shù)字孿生的流行，離不開通用電氣、西門子等工業(yè)巨頭在2015年前后的“背書”，數(shù)字孿生的概念也越來越具象：相較于在CAD上設(shè)計(jì)工業(yè)圖紙的做法，通用電氣等企業(yè)嘗試在物理實(shí)體的基礎(chǔ)上創(chuàng)造一個(gè)數(shù)字版的虛擬模型，物理實(shí)體的運(yùn)行數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)映射到虛擬模型上。工業(yè)數(shù)據(jù)不再只是被記錄和存儲(chǔ)，工程師們可以基于數(shù)字模型判斷機(jī)器的運(yùn)行狀況，進(jìn)而提升工廠的運(yùn)營效率和管理水平。
2017年的時(shí)候，著名IT研究機(jī)構(gòu)Gartner將數(shù)字孿生列為當(dāng)年的十大新興技術(shù)，并預(yù)言：“實(shí)物或系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)軟件模型，在三到五年內(nèi)，數(shù)十億計(jì)的實(shí)物將通過數(shù)字孿生來表達(dá)?！钡鹊?019年，Gartner對(duì)數(shù)字孿生的描述再次發(fā)生了變化：“數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)生活中物體、流程或系統(tǒng)的數(shù)字鏡像。”
恰逢轟轟烈烈的智慧城市浪潮，數(shù)字孿生的概念迅速被智慧城市服務(wù)商所吸納。百度、騰訊、阿里、京東、華為等紛紛在2019年前后提出了數(shù)字孿生城市的架構(gòu)，多家專注數(shù)字孿生技術(shù)的企業(yè)獲得了大額融資，多支“數(shù)字孿生”概念股漲停。同時(shí)國內(nèi)的北京、上海、浙江等省市相繼推出了數(shù)字孿生城市建設(shè)的相關(guān)政策或行動(dòng)方案。
2021年初出臺(tái)的“十四五規(guī)劃綱要和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)”中，將“探索建設(shè)數(shù)字孿生城市”寫入其中，數(shù)字孿生城市的激情徹底被引燃。
02 數(shù)字孿生的“沃土”
智慧城市曾經(jīng)存在多種路徑，或是在空間上基于算法和數(shù)據(jù)的模擬推演，進(jìn)行城市運(yùn)行狀況的仿真；或是注重建筑建模與城市要素的管理，兼容地理信息、物聯(lián)網(wǎng)等功能……最終認(rèn)為所有的路線都將走向數(shù)字孿生。
一種高情商的說法是：越是復(fù)雜的系統(tǒng)，數(shù)字孿生后的管理效率提升越高，而城市就是最為復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)。隨著城市規(guī)模和人口的迅速膨脹，已經(jīng)出現(xiàn)了交通堵塞、公共服務(wù)短缺、環(huán)境約束等一系列問題，建立一個(gè)和物理城市并行的孿生虛擬城市，將極大提升城市的管理效率、減少資源的損失。
其實(shí)還有一種現(xiàn)實(shí)的解釋。為了檢驗(yàn)新型智慧城市建設(shè)情況，國家發(fā)改委在2019年?duì)款^制定了《新興智慧城市評(píng)價(jià)指標(biāo)》，結(jié)果顯示：新型智慧城市建設(shè)在城市精準(zhǔn)治理，打造宜居生態(tài)環(huán)境等方面表現(xiàn)良好，但是仍面臨缺少整體設(shè)計(jì)方案、數(shù)據(jù)孤島、信息不互通、未能聯(lián)合市場多元參與等多種挑戰(zhàn)。
在智慧城市普遍缺少頂層設(shè)計(jì)、遇到數(shù)據(jù)孤島的局面下，亟需找到對(duì)癥下藥的方案，數(shù)字孿生由此等來了一片沃土。
借用中國信通院總工程師高艷麗的觀點(diǎn)：“數(shù)字孿生城市破解了傳統(tǒng)智慧城市技術(shù)集成與業(yè)務(wù)協(xié)同兩大難題。從技術(shù)上，數(shù)字孿生解決了傳統(tǒng)智慧城市散、弱集成問題；從業(yè)務(wù)上，模型+數(shù)據(jù)+軟件構(gòu)成了城市的數(shù)字底座，未來城市將在一個(gè)數(shù)字底座上實(shí)現(xiàn)各個(gè)業(yè)務(wù)條線的協(xié)同?！?/p>
經(jīng)過三年多的摸索試錯(cuò)后，國內(nèi)外也出現(xiàn)了不少有價(jià)值的探索案例。
比如南京市江北新區(qū)打造了涵蓋大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)、綜合感知平臺(tái)、數(shù)字孿生信息平臺(tái)、視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在內(nèi)的數(shù)字孿生城市模型，通過對(duì)數(shù)據(jù)資源的采集、管理、治理、共享、分析和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了城市治理的改善和優(yōu)化。
再比如海納云在青島搭建的道路橋梁監(jiān)管服務(wù)平臺(tái)，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、BIM/GIS、智能終端等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了青島市內(nèi)橋梁運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測、智能預(yù)測預(yù)警和應(yīng)急處置，讓橋梁養(yǎng)護(hù)從人工時(shí)代進(jìn)入到了數(shù)字時(shí)代。
同時(shí)不可否認(rèn)的是，數(shù)字孿生為智慧城市提供了一種可行的實(shí)踐路徑，在某種程度上矯正了智慧城市發(fā)展的航向，所存在的短板也相當(dāng)明顯：根據(jù)中國信通院的調(diào)研報(bào)告顯示，目前66.7%的數(shù)字孿生城市項(xiàng)目由政府投資建設(shè)，數(shù)字孿生城市的建設(shè)成本與收益、研究與應(yīng)用間的差距在短期內(nèi)無法彌合。
目前數(shù)字孿生城市還處于建立鏡頭模型的初級(jí)階段，距離想象中的虛實(shí)交融還有很長一段距離，可能需要十年乃至二十年的時(shí)間周期。
03 等待殺手級(jí)應(yīng)用
數(shù)字孿生和智慧城市在應(yīng)用場景上的深度捆綁，看似為數(shù)字孿生找到了落地的肥沃土壤，卻也可能是一種隱性的制約。畢竟智慧城市是一場典型的馬拉松，而技術(shù)的破局常常需要迅速而猛烈的紅利期。
一個(gè)直接的例子。結(jié)合CNKI 數(shù)據(jù)庫、Scopus 數(shù)據(jù)庫的檢索分析，“數(shù)字孿生”研究論文的累計(jì)數(shù)量從2017年的246篇增長到了2021年的近6000篇，看似有著數(shù)量級(jí)的增長，可對(duì)比人工智能、5G等前沿技術(shù)，數(shù)字孿生并不能列入熱門技術(shù)的范疇，何況數(shù)字孿生城市的論文累計(jì)數(shù)量還不足500篇。
其中的原因并不復(fù)雜。綜合WEF和中國信通院的數(shù)據(jù)，目前數(shù)字孿生城市的項(xiàng)目應(yīng)用分布中，公共服務(wù)的占比高達(dá)55.6%，被視為數(shù)字孿生城市核心的CIM平臺(tái)，2021年在中國的項(xiàng)目總金額還不足35億元。
進(jìn)一步深挖的話，智慧城市屬于典型的系統(tǒng)性工程，需要對(duì)不同區(qū)域、不同部門、不同場景的建設(shè)進(jìn)程進(jìn)行統(tǒng)籌兼顧。智慧城市的服務(wù)商想要盈利，比拼的是市場規(guī)模，潛移默化形成一種常態(tài)化的擴(kuò)張方式，即先在某個(gè)城市做樣本，然后在其他城市進(jìn)行復(fù)制。智慧城市是一個(gè)誘人的應(yīng)用場景，而非創(chuàng)新場景。
也就是說，數(shù)字孿生技術(shù)想要有爆炸性的進(jìn)步，在行業(yè)內(nèi)掀起更大的風(fēng)潮，必須要跳出為智慧城市服務(wù)的思維范式，找到新的殺手級(jí)應(yīng)用。而就目前的外部大環(huán)境來看，數(shù)字孿生技術(shù)并非沒有潛在的利好因素。
比如工業(yè)制造的演進(jìn)。漫威不止一次在電影中演示了這樣一種場景：“鋼鐵俠”在實(shí)驗(yàn)室中通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)對(duì)戰(zhàn)衣進(jìn)行解構(gòu)、設(shè)計(jì)、升級(jí)等工作，完成一整套流程的虛擬仿真后再交付下游進(jìn)行生產(chǎn)，既降低了試錯(cuò)的成本，又提升了工作效率。數(shù)字孿生是制造業(yè)的剛需，先在工業(yè)場景下進(jìn)行技術(shù)的沉淀和論證，再輸送到智慧交通、智慧農(nóng)業(yè)、智慧醫(yī)療等行業(yè)，不失為一種理性的思路。
再比如元宇宙的爆發(fā)。數(shù)字孿生和元宇宙的本質(zhì)都是為了在物理世界和虛擬世界間建立連接和交互，盡管數(shù)字孿生面向的是物，而元宇宙面向的是人，但二者的技術(shù)棧有著不小的相似性，數(shù)字孿生技術(shù)的成熟度，直接影響著元宇宙在在虛實(shí)映射與虛實(shí)交互上的完整性。再加上數(shù)字孿生同樣依賴芯片、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、算法等技術(shù)的進(jìn)步，元宇宙的基礎(chǔ)設(shè)施也可以服務(wù)于數(shù)字孿生。
種種跡象顯示，這些利好因素絕非空穴來風(fēng)。英偉達(dá)在GTC 2022上宣布Omniverse平臺(tái)同時(shí)適用于虛擬世界、數(shù)字孿生和機(jī)器人系統(tǒng)，原本被元宇宙開發(fā)者寄予厚望的生產(chǎn)力工具，正在加速數(shù)字孿生的落地。
04 寫在最后
對(duì)數(shù)字孿生的應(yīng)用進(jìn)程簡單劃分的話：第一個(gè)階段應(yīng)該是機(jī)器的數(shù)字孿生，第二個(gè)階段是企業(yè)工廠的數(shù)字孿生，最后才是城市級(jí)的數(shù)字孿生。
不同階段的數(shù)字孿生，對(duì)應(yīng)著不同的數(shù)字化水平，有著不同的能力需求。數(shù)字孿生城市的出現(xiàn)，在某種程度上打亂了數(shù)字孿生的應(yīng)用進(jìn)程，卻也不是什么壞消息。在智慧城市的萬億蛋糕面前，數(shù)字孿生勢必會(huì)吸引越來越多人的注意，在人才、資本、政策等方面有更大的主動(dòng)性。
同時(shí)也應(yīng)該避免路徑上的誤區(qū)：倘若核心技術(shù)環(huán)節(jié)的根基不牢靠，再誘人的前景也是霧里看花。