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“大器晚成的天才”——数字孪生城市
2020-01-20 13:12:30来源:中国建设报    作者:陈 宇

古希腊著名哲学家柏拉图曾提出世界由“理念世界”和“现象世界”组成,人类感官所接触到的现实世界,只不过是理念世界微弱的影子。虽然现在来看这种观点具有强烈的客观唯心主义色彩,但这却是对数字孪生物理世界与数字世界相互映射理念探索的雏形。

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数字孪生的前世今生

1999年有部电影叫《异次元骇客》,这部电影与数字孪生有着异曲同工之妙。电影讲述了两位想象力丰富的科学家将虚拟现实发挥到极限,在计算机上完整模拟出了1937年的整个洛杉矶,被模拟出的虚拟世界,精细复制了现实世界的所有数据。其实,人类对现实世界与虚拟世界的想象与探索从未停止过,电影《黑客帝国》、小说《环形废墟》《世界尽头与冷酷仙境》,乃至现在的数字孪生都是如此。

从某种意义上讲,文学影视作品中虚拟和现实世界与数字孪生的理念属于同一范畴,不同的是文学作品中的主角都带有神秘的色彩,更像是魔法师,而数字孪生的主角是科学家,推动着以前仅存在于想象中的技术思潮不断向前演进,助力人类生产力革命和升级,改变人类的生产生活方式。

数字孪生这一概念的起源众说纷纭,被最广泛认可的起源由NASA(美国国家航空航天局)在2010年率先提出。无论起源归属如何,Michael Grieves(迈克尔·格里夫斯)都是不得不提的一个人。一直以来,Michael Grieves围绕PLM(Product Lifecycle Management,产品生命周期管理)做了很多工作,从他的各种研究成果来看,他主要强调利用数字化实现管理现场的透明化,或者实现产品生命周期的透明化。其实这并不是数字孪生的全部,2002年,Michael Grieves在密歇根大学产品生命周期管理中心成立时发表了题为《Conceptual Ideal for PLM》(《PLM的概念性设想》)的演讲,该设想拥有数字孪生具备的所有元素:现实空间、虚拟空间,从现实空间到虚拟空间的数据流连接,以及从虚拟空间到现实空间和虚拟子空间的信息流连接,在当时被称为Mirrored Spaces Model(镜像空间模型)(见图)。在此之后,Michael Grieves又多次在其著作中对这一概念进行阐述,让这一概念得到了极大拓展。后来,NASA与AFRL(Air Force Research Laboratory,美国空军研究实验室)明确提到了数字孪生。再后来,美国国防部意识到数字孪生将是具有重要价值的工程工具,值得全面研发,与此同时,美国通用电气在为美国国防部提供F-35联合攻击机解决方案的时候,也发现数字孪生体是工业数字化过程中的有效工程工具,并开始利用数字孪生体去构建工业互联网体系。

万物互联催生数字孪生城市

从其发展的历程来看,数字孪生这一概念不仅仅是停留在产品的某个阶段,而是延展至生产制造和服务阶段的全周期。由于当时的数字化手段有限,因此数字孪生的概念在初期只是被美国国防部应用于航空航天飞行器的健康维护与保障,此外,一些大型PLM厂商也进行了应用。

之后,数字孪生的概念逐步扩展到了模拟仿真、虚拟装配和3D打印等多个领域,较为激进的PLM厂商PTC公司(美国参数技术公司),将其视为“智能互联产品”的关键性环节,从而实现实时反馈与革命性优化策略,引导人们穿越那道虚实的界限,在物理与数字模型之间自由交互与行走。随着物联网技术、人工智能和虚拟现实技术的不断发展与成熟以及物联网传感设备成本的下降,更多的工业产品、工业设备具备了智能的特征,而数字孪生也逐步扩展到了包括制造和服务在内的完整的产品周期阶段,通过大量的传感器来采集产品运行阶段的环境和工作状态,并通过数据分析和优化来避免产品的故障,改善用户对产品的使用体验,不断丰富着数字孪生的形态和概念。

至此,凭借着物联网和传感设备的发展和成熟的东风,数字孪生城市这一新的主角登上了历史的舞台,数字孪生城市这个“大器晚成的天才”,在新一代信息技术发展的衬托下终于迎来了属于自己的时代。5G(第五代移动通信技术)、物联网等新技术的发展为数字孪生城市的发展创造了条件,基于5G和物联网的全域感知体系成为建设数字孪生城市的重要基础。此外,BIM(建筑信息模型)的发展成熟也功不可没。基于BIM+IoT(物联网)+GIS(地理信息系统)+CPS(赛博物理系统)等技术而兴起的CIM(城市信息模型)已成为数字孪生城市的核心内容,通过CIM以及一体化平台的建设将停留在文学以及影视作品之中的物理空间与数字空间的虚实交互拉进现实世界,让人们在另一个孪生的数字世界中指点江山。

厚积方能薄发,积淀良久的数字孪生终于遇到了智慧城市这一伯乐,一经融合便迸发出了巨大的能量,在全球范围内受到广泛青睐。在国外,已有“虚拟新加坡”、法国雷恩3D城市、多伦多高科技社区等探索案例;在国内,数字孪生城市的探索实践当以河北雄安新区为代表,2018年《河北雄安新区规划纲要》的发布,揭开了国内数字孪生城市建设的序幕,为众多处在智慧城市建设深水区的地方以及企业突破瓶颈带来启迪。一时间,数字孪生城市风头无两,包括北京城市副中心、南京市江北新区、重庆市两江新区、贵州省贵阳市等众多城市和地区的数字孪生城市基础设施建设和落地应用已经如火如荼推进,数字孪生城市的热度可谓升级到了“白热化”。不仅华为、百度、腾讯、阿里、移动、联通等互联网巨头、通信巨头纷纷牵头构建生态,众多安防、AI(人工智能)等行业大佬,如海康、商汤也都扎进数字孪生的浪潮中,甚至是AR(增强现实)、VR(虚拟现实)、测绘、照明等领域的头部企业以及创业公司也加入到数字孪生的行列之中。在市场一片大热的推动下,2019年多支“数字孪生”概念股涨停。

数字孪生的潮流来势之快超出很多人的想象,数字孪生城市的概念在2017年前后才在国内出现,短短几年的时间,数字孪生城市方案和模式已经如“雨后春笋”般在我国多地涌现。在工业4.0时代,当5G及AIoT(人工智能物联网)的洪流滚滚袭来时,众多地方、企业要想拔得头筹,数字孪生将会是强有力的抓手,要根据自身的情况做出正确的战略抉择,才能形成不可替代的优势。

数字孪生城市将虚拟空间和物理实体紧密融合,将物理实体在虚拟空间中映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程,这是一种超越现实的概念,可以为一个或多个重要的、彼此依赖的系统提供服务,可广泛应用于工业制造、使用维护、智慧城市等多个领域。这种极致的科技,将在我们的现实世界中,用最小的损失方式,模拟出各种事物的因果链和运行走向,提前预判现实世界中的各种可能,进而采取预防措施,从而改变我们未来的生活方式。


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