一、數(shù)字孿生參與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用
數(shù)字孿生定義為一種軟件設(shè)計(jì)模式——以數(shù)字化方式拷貝一個(gè)物理目標(biāo)，模擬目標(biāo)在真實(shí)環(huán)境中的行為，對(duì)產(chǎn)品、制造過(guò)程甚至是整個(gè)工廠進(jìn)行虛擬仿真——目的是掌握資產(chǎn)的狀態(tài)，響應(yīng)變化，改善業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)和提升價(jià)值。
1、數(shù)字孿生為諸多大企業(yè)服務(wù)
企業(yè)實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)主要因素是，他們的數(shù)字孿生服務(wù)于企業(yè)內(nèi)外的不同生態(tài)圈與行業(yè)分支。54%的受訪人表示雖說(shuō)他們的大多數(shù)數(shù)字孿生只為一個(gè)分支服務(wù)，但有時(shí)會(huì)應(yīng)用與多個(gè)分支;近三分之一的受訪人表示，他們的大部分或全部數(shù)字孿生都服務(wù)于多個(gè)分支和環(huán)節(jié)。比如說(shuō)，互聯(lián)網(wǎng)汽車數(shù)字孿生的選區(qū)可以包括制造商、客戶服務(wù)提供商和保險(xiǎn)公司，每一個(gè)都需要不同的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。
2、數(shù)字孿生往往互相融合
當(dāng)一個(gè)組織部署了多個(gè)數(shù)字孿生時(shí)，集成化它們可能是更有意義的。比如說(shuō)，在具備物聯(lián)網(wǎng)連接的工業(yè)閥門、泵和發(fā)電機(jī)的發(fā)電廠中，每一個(gè)設(shè)備都有數(shù)字孿生的作用，以及復(fù)合型的數(shù)字孿生，它可以在整個(gè)設(shè)備中匯總物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，以深入分析整體運(yùn)轉(zhuǎn)狀況。
數(shù)字孿生提供了與工業(yè)部門中運(yùn)用的物理組件相對(duì)應(yīng)的虛擬目標(biāo)。比如說(shuō)，制造汽車的機(jī)器人手臂可以運(yùn)用數(shù)字孿生進(jìn)行監(jiān)控，數(shù)字孿生搜集相關(guān)機(jī)械手臂操作的數(shù)據(jù)，并提供有關(guān)需要定期維護(hù)或更換的組件的信息。數(shù)字孿生可以使預(yù)測(cè)性維護(hù)更為容易，并提供有價(jià)值的可視化功能以提升效率。
現(xiàn)如今，基本上任何制造商都可以從支持傳感器和連接IoT的機(jī)器及設(shè)備搜集生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)與基于云的機(jī)器學(xué)習(xí)和熟悉的CAD可視化系統(tǒng)融合起來(lái)，以數(shù)字化方式為物理目標(biāo)構(gòu)建虛擬模型，來(lái)模擬其在真實(shí)環(huán)境中的行為，并通過(guò)構(gòu)建整合制造流程的數(shù)字孿生生產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃到制造執(zhí)行的全流程數(shù)字化。數(shù)字孿生將真實(shí)與虛擬世界無(wú)縫連接，全流程賦能制造業(yè)，助力制造業(yè)數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型。
雖然這種設(shè)置比較復(fù)雜，但61%已經(jīng)實(shí)施數(shù)字孿生的公司已經(jīng)將至少一對(duì)數(shù)字孿生互相集成化，甚至更多——74%尚未集成化數(shù)字孿生的組織則將在未來(lái)5年內(nèi)集成化。然而，這個(gè)結(jié)果也意味著39%的受訪人尚未整合任何數(shù)字孿生應(yīng)用;其中，26%的人仍然不打算在5年內(nèi)這樣做。
二、數(shù)字孿生的提出源于工業(yè)4.0
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)模型和技術(shù)依托于數(shù)字孿生體（DigitalTwin），雖說(shuō)這個(gè)概念產(chǎn)生于軍事領(lǐng)域，但很快獲得了領(lǐng)先工業(yè)企業(yè)的認(rèn)可，并投入大量資源做研究，這其中，美國(guó)通用電氣和德國(guó)西門子最為積極。從可以尋找到的書面證據(jù)來(lái)看，2011年3月美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL，AirForceResearchLaboratory）做的一次演講，明確提到了數(shù)字孿生體，是最早的提出機(jī)構(gòu)。
據(jù)有限的資料表明，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA，NationalAeronauticsandSpaceAdministration）也在同時(shí)期開(kāi)始關(guān)注數(shù)字孿生體，但后續(xù)對(duì)數(shù)字孿生體體系的創(chuàng)建貢獻(xiàn)并不是很多，反倒是美國(guó)國(guó)防部馬上意識(shí)到數(shù)字孿生體是極具價(jià)值的工程工具，值得全面研發(fā)。與此同時(shí)，美國(guó)通用電氣在為美國(guó)國(guó)防部提供F-35聯(lián)合攻擊機(jī)解決方案的時(shí)候，也發(fā)覺(jué)數(shù)字孿生體是工業(yè)數(shù)字化過(guò)程中的有效工程工具，并開(kāi)始運(yùn)用數(shù)字孿生體去創(chuàng)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系。
三、探索數(shù)字孿生“城市大腦”
阿里云研究中心發(fā)表了《城市大腦探索“數(shù)字孿生城市”白皮書》，白皮書里特別提到，人類文明史上，每次科技大爆發(fā)都會(huì)重新決定全球城市的經(jīng)濟(jì)排名。未來(lái)，城市的數(shù)據(jù)資源會(huì)成為城市發(fā)展的戰(zhàn)略性資源，甚至于比土地資源更重要。計(jì)算能力會(huì)成為城市新的發(fā)展動(dòng)力，城市擁有的計(jì)算力總量甚至于會(huì)決定城市發(fā)展的排名與潛力。
1、技術(shù)層面歸納解析
數(shù)字孿生城市建設(shè)依托云、網(wǎng)、端為主要構(gòu)成的技術(shù)生態(tài)體系，端側(cè)產(chǎn)生城市全域感知，深層次描繪城市體征狀態(tài)。網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生泛在高速網(wǎng)絡(luò)，提供毫秒級(jí)時(shí)延的雙向數(shù)據(jù)傳輸，打下了智能交互基礎(chǔ)。云側(cè)產(chǎn)生普惠智能計(jì)算，以大范圍、多尺度、長(zhǎng)周期、智能化實(shí)現(xiàn)城市決策和控制。
與工業(yè)領(lǐng)域數(shù)字孿生創(chuàng)建模式類似，數(shù)字孿生城市是在更大范圍、更多場(chǎng)景下，整合全域感知、歷史累積、運(yùn)行監(jiān)測(cè)等多元異構(gòu)數(shù)據(jù)，集成多科學(xué)、多尺度的仿真過(guò)程，集成指揮調(diào)度、運(yùn)行決策、民生服務(wù)等智慧應(yīng)用，一同創(chuàng)建與現(xiàn)實(shí)城市共同生存、虛實(shí)交融的復(fù)雜巨系統(tǒng)，反應(yīng)現(xiàn)實(shí)城市運(yùn)行全流程。
數(shù)字孿生城市，以全域數(shù)字化標(biāo)識(shí)和一體化感知檢測(cè)為數(shù)據(jù)孿生基礎(chǔ)，以全域全景的數(shù)據(jù)資源、高性能的協(xié)同計(jì)算、深度學(xué)習(xí)的機(jī)器智能平臺(tái)為城市信息中樞，以數(shù)字孿生模型平臺(tái)為城市運(yùn)行信息集成化展示載體，操縱城市治理、民生服務(wù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等各系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)，形成一種自我優(yōu)化的智能運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)“全域立體感知、萬(wàn)物可信互聯(lián)、泛在普惠計(jì)算、智能定義一切、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)決策”。
（1）全域端數(shù)字化標(biāo)識(shí)
數(shù)字化標(biāo)識(shí)是萬(wàn)物互聯(lián)的基礎(chǔ)，是數(shù)字孿生城市創(chuàng)建的前提條件，是數(shù)字化空間中用于區(qū)別實(shí)體身份的基礎(chǔ)信息。數(shù)字孿生模式下，是一個(gè)實(shí)現(xiàn)物理世界與數(shù)字化世界的完全對(duì)應(yīng)、融合和演變，并驅(qū)動(dòng)整個(gè)世界數(shù)字化、智能化的過(guò)程，為了更好地給城市創(chuàng)建精確的數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化與實(shí)體的精準(zhǔn)匹配，在城市范圍內(nèi)所有的終端具備唯一全局身份標(biāo)識(shí)。
（2）一體化感知和監(jiān)測(cè)體系
一體化感知檢測(cè)體系是萬(wàn)物感知、萬(wàn)物互聯(lián)、萬(wàn)物智能的通道和入口，是數(shù)字孿生城市實(shí)現(xiàn)物理世界到虛擬世界的轉(zhuǎn)換的連接器。一體化感知和監(jiān)測(cè)體系包括感知設(shè)備、感知網(wǎng)絡(luò)和感知平臺(tái)，設(shè)備層提供各類智能終端具備物聯(lián)網(wǎng)感知模塊，成為了設(shè)備數(shù)據(jù)源；網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建極速傳輸網(wǎng)絡(luò)，為城市各類傳感設(shè)備提供更廣闊的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，使感知數(shù)據(jù)從設(shè)備層傳輸?shù)狡脚_(tái)層；平臺(tái)層匯聚所有的感知數(shù)據(jù)，為城市大數(shù)據(jù)分析提供支撐。
（3）高性能協(xié)同計(jì)算能力
在數(shù)字孿生城市模式下，城市實(shí)現(xiàn)高度數(shù)字化，同時(shí)形成海量數(shù)據(jù)資源，高性能的協(xié)同計(jì)算將提供算力支撐，主要包括數(shù)據(jù)處理中心和邊緣計(jì)算中心，在城市所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按照需求部署云計(jì)算和邊緣計(jì)算設(shè)施，為孿生數(shù)據(jù)城市提供運(yùn)行決策。
（4）實(shí)時(shí)映射的孿生模型平臺(tái)
實(shí)時(shí)映射的孿生模型平臺(tái)是創(chuàng)建數(shù)字孿生城市綜合信息載體平臺(tái)，是城市統(tǒng)一“展示窗口”“決策中心”。通過(guò)加載全域全景的數(shù)據(jù)資源創(chuàng)建城市多維數(shù)據(jù)空間，運(yùn)用GIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)城市從地下到地上地理信息的數(shù)字化，運(yùn)用BIM和CIM模型創(chuàng)建城市三維數(shù)據(jù)空間畫像，同時(shí)整合城市遙感、北斗導(dǎo)航、地理測(cè)繪信息、智能建筑等城市空間數(shù)據(jù)，在數(shù)字化空間模型仿真組建虛實(shí)映射的數(shù)字孿生城市模型。
2、數(shù)字孿生在智慧城市中的應(yīng)用
（1）城市大腦智能仿真控制交通
城市大腦對(duì)遍及全城的交通傳感器、視頻感知參數(shù)、公交車出租車、互聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)航的數(shù)據(jù)進(jìn)行多源融合，構(gòu)成圍繞交通量、擁堵指數(shù)、主干道速度、快速路速度、安全指數(shù)的五大“生命體征指標(biāo)體系”，不同類別的數(shù)據(jù)間取長(zhǎng)補(bǔ)短、交叉驗(yàn)證，協(xié)助交管部門擺脫“霧里看花”、“盲人摸象”的困局，交通管理部門在切實(shí)可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，快速執(zhí)行“手術(shù)刀式”精準(zhǔn)治理，避免牽一發(fā)動(dòng)全身的連鎖反應(yīng)。此外，在豐富的歷史數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，城市大腦可以協(xié)助交管部門通過(guò)數(shù)據(jù)洞察早晚高峰期的民眾主要通勤線路，進(jìn)而優(yōu)先確?！巴ㄇ诖髣?dòng)脈”的出行效率，并通過(guò)城市大腦“公眾服務(wù)板塊”向各類公開(kāi)渠道（例如高德）發(fā)布擁堵、引導(dǎo)消息，指引民眾選擇效率更高的通勤線路，減輕大面積交通沖突，提升全區(qū)域綜合效率。
（2）城市警情自動(dòng)監(jiān)控
“全城感知”升級(jí)，以機(jī)器視覺(jué)、互聯(lián)網(wǎng)/物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析替代交警巡邏，監(jiān)測(cè)交通事件。交通數(shù)據(jù)中臺(tái)廣泛連接、共享分析四類城市大數(shù)據(jù)源：(1)高德等互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)，作為決策基礎(chǔ)；(2)路面視頻的數(shù)據(jù)，匯聚不同廠商攝像頭全量視頻；(3)路口地下線圈的數(shù)據(jù)；(4)交警機(jī)構(gòu)的卡口等數(shù)據(jù)。打穿政府部門間的數(shù)據(jù)孤島、系統(tǒng)孤島、決策孤島，實(shí)現(xiàn)從“單點(diǎn)感知”到“全面感知”，從識(shí)別車牌到識(shí)別路面萬(wàn)物的智能進(jìn)化，ET城市大腦中的“天曜”產(chǎn)品好比一個(gè)“眼觀六路，耳聽(tīng)八方，運(yùn)籌帷幄于千里之外”的虛擬交警，用全城路網(wǎng)上24小時(shí)在線、360o觀測(cè)的球機(jī)監(jiān)控替代一線警力巡邏，實(shí)時(shí)報(bào)警全城交通事故，20秒內(nèi)識(shí)別出汽車走快車道、摩托車上高架、行人橫穿馬路等全部交通違法行為，甚至發(fā)現(xiàn)案例高發(fā)路口的不合理交通規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化，不增加任何外場(chǎng)設(shè)備，在復(fù)雜社會(huì)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)布警、警力資源的可再生式發(fā)展。
（3）全生命周期式智慧醫(yī)療服務(wù)
數(shù)字孿生城市模式下，整合智能可穿戴設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備采集健康數(shù)據(jù)、電子病歷等各類人健康的數(shù)據(jù)，形成完備的個(gè)人醫(yī)療健康檔案。患者的病虛擬病例及各項(xiàng)數(shù)據(jù)同步到云端，實(shí)現(xiàn)院際間、區(qū)域間、國(guó)際間的數(shù)據(jù)互通共享，打通遠(yuǎn)程會(huì)診的通道，患者通過(guò)遠(yuǎn)程醫(yī)療協(xié)同平臺(tái)，可以在虛擬醫(yī)院中實(shí)現(xiàn)在線掛號(hào)、遠(yuǎn)程診斷，使就醫(yī)時(shí)間更便捷，也減輕了醫(yī)院壓力。