隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)
、云計(jì)算、數(shù)字孿生等新興一代
技術(shù)的發(fā)展以及層出不窮的網(wǎng)絡(luò)新業(yè)務(wù)涌現(xiàn), 網(wǎng)絡(luò)負(fù)載不斷增加, 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大
。
由此帶來的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性, 使得網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行和維護(hù)變得越來越復(fù)雜
。
同時(shí), 由于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營的高可靠性要求, 網(wǎng)絡(luò)故障的高代價(jià)以及昂貴的試驗(yàn)成本, 網(wǎng)絡(luò)的變動(dòng)往往牽一發(fā)而動(dòng)全身, 新技術(shù)的部署愈發(fā)困難
。講
數(shù)字孿生之前先
具體來說
一下
, 超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)發(fā)展面臨的
哪些
典型挑戰(zhàn)
：
1) 網(wǎng)絡(luò)靈活性不足
2) 網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)研發(fā)周期長、部署難度大
3) 網(wǎng)絡(luò)綜合管理運(yùn)維復(fù)雜
4) 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化成本高、風(fēng)險(xiǎn)大
為解決上述困難, 網(wǎng)絡(luò)智能化越來越為各行業(yè)、產(chǎn)業(yè)界所重視 。 基于 “ 意圖網(wǎng)絡(luò)”, “自動(dòng)駕駛網(wǎng)絡(luò)”, “零接觸(Zero-Touch)網(wǎng)絡(luò)”等概念和技術(shù)相繼被業(yè)界提出和推廣, 希望借助網(wǎng)絡(luò)智能化技術(shù), 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化和自主化運(yùn)行的愿景 。 數(shù)字孿生 系統(tǒng) 構(gòu)建物理網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)鏡像, 可增強(qiáng)物理網(wǎng)絡(luò)所缺少的系統(tǒng)性仿真、優(yōu)化、驗(yàn)證和控制能力, 助力上述網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的部署, 更加高效地應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)問題和挑戰(zhàn) 。
將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò), 創(chuàng)建物理空間的虛擬鏡像, 即可搭建數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)平臺(tái) 。 通過物理 空間 和 數(shù)字孿生技術(shù) 實(shí)時(shí)交互、相互影響, 數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)能夠助力網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)低成本試錯(cuò)、智能化決策和高效率創(chuàng)新 。 數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)的研究和應(yīng)用在產(chǎn)業(yè)和學(xué)術(shù)界還處于起步階段 。
1、數(shù)字孿生的起源（超越現(xiàn)實(shí)的概念）
“孿生”的概念最早起源于美國國家航空航天局的“阿波羅計(jì)劃”；2003年前后，關(guān)于數(shù)字孿生（Digital Twin）的設(shè)想首次出現(xiàn)于美國密歇根大學(xué)的產(chǎn)品全生命周期管理課程上；直到2010年，“Digital Twin”一詞在NASA的技術(shù)報(bào)告中被正式提出；2012年，美國國家航空航天局與美國空軍聯(lián)合發(fā)表了關(guān)于數(shù)字孿生的論文，重點(diǎn)應(yīng)用于未來飛行器發(fā)展。
近年來, 隨著多學(xué)科建模與仿真技術(shù)的飛速發(fā)展, 數(shù)字孿生技術(shù)研究成為熱點(diǎn) ， 得益于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生在虛擬樣機(jī)、數(shù)字孿生車間 、數(shù)字孿生工業(yè) 、數(shù)字孿生衛(wèi)星、智慧能源、 智慧工廠、交通、醫(yī)療健康等諸多領(lǐng)域得到成功運(yùn)用 。 面向未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展, 伴隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展以及信息的泛在化, 數(shù)字孿生技術(shù)也將更廣泛地運(yùn)用于人體活動(dòng)監(jiān)控與管理、家居生活和科學(xué)研究等領(lǐng)域, 使得整個(gè)社會(huì)走向虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合的 “數(shù)字孿生” 世界 。
什么是數(shù)字孿生？學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界有不同的定義，通俗地可以理解為：以數(shù)字化的方式建立物理實(shí)體的虛擬模型，物理世界數(shù)字化，借助歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和算法模型，實(shí)現(xiàn)對物理實(shí)體的分析預(yù)測和改善優(yōu)化，具有實(shí)時(shí)性和閉環(huán)性。數(shù)字孿生將割裂的虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界融合，是前沿科技下一個(gè)代際的發(fā)展主題。
Gartner在其物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things, IoT)數(shù)字孿生技術(shù)報(bào)告中提出構(gòu)建一個(gè)物理實(shí)體的數(shù)字孿生體需要4個(gè)關(guān)鍵要素: 模型、數(shù)據(jù)、監(jiān)控和唯一性 。 提出了數(shù)字孿生的五維模型 {PE, VE, Ss, DD, CN}, 其中, PE表示物理實(shí)體, VE表示虛擬實(shí)體, Ss表示服務(wù), DD表示孿生數(shù)據(jù), CN表示各部分之間的連接 。 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization, ISO)發(fā)布了面向制造的數(shù)字孿生系統(tǒng)框架標(biāo)準(zhǔn)草案, 提出包含數(shù)據(jù)采集域、設(shè)備控制域、數(shù)字孿生域和用戶域的參考框架, 該草案即將成為數(shù)字孿生領(lǐng)域第一個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn) 。
2、 數(shù)字孿生定義
數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)業(yè)界尚無統(tǒng)一的定義, 本文將 “數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)” 定義為: 一個(gè)具有物理網(wǎng)絡(luò)實(shí)體及虛擬孿生體, 且二者可進(jìn)行實(shí)時(shí)交互映射的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 。
在此系統(tǒng)中, 各種網(wǎng)絡(luò)管理和應(yīng)用可利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建的虛擬孿生體, 基于數(shù)據(jù)和模型對物理 實(shí)體 進(jìn)行高效的分析、診斷、仿真和控制 。 基于此定義, 數(shù)字孿生應(yīng)當(dāng)具備4個(gè)核心要素: 數(shù)據(jù)、模型、映射和交互 。
1）
數(shù)據(jù)
數(shù)據(jù)是構(gòu)建數(shù)字孿生 可視化 的基石, 通過構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享倉庫作為數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)的單一事實(shí)源, 高效存儲(chǔ)物理網(wǎng)絡(luò)的配置、拓?fù)?、狀態(tài)、日志、用戶業(yè)務(wù)等歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù), 為 數(shù)字 孿生提供數(shù)據(jù)支撐 。
2）模型
數(shù)字孿生中的模型既包含了對應(yīng)已知物理對象的機(jī)理模型，也包含了大量的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型。其中，“動(dòng)態(tài)”是模型的關(guān)鍵，動(dòng)態(tài)意味著這些模型需要具備自我學(xué)習(xí)、自主調(diào)整的能力。
3）映射
在數(shù)字虛體空間中創(chuàng)建的虛擬事物，與物理實(shí)體空間中的現(xiàn)實(shí)事物形成了在形、態(tài)、質(zhì)地、行為和發(fā)展規(guī)律上都極為相似的虛實(shí)精確映射關(guān)系，讓物理孿生體與數(shù)字孿生體具有了多元化映射關(guān)系，具備了不同的保真度（逼真、抽象等） 特征。
4）交互
交互是達(dá)成虛實(shí)同步的關(guān)鍵, 數(shù)字孿生 通過標(biāo)準(zhǔn)化的接口連接網(wǎng)絡(luò)服務(wù)應(yīng)用和物理實(shí)體 系統(tǒng) , 完成對于物理網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)信息采集和控制, 并提供及時(shí)診斷和分析 。
基于四要素構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)孿生體可借助優(yōu)化算法、管理方法、專家知識(shí)等對物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全生命周期的分析、診斷、仿真和控制, 實(shí)現(xiàn)物理網(wǎng)絡(luò)與孿生網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)交互映射, 幫助網(wǎng)絡(luò)以更低成本、更高效率、更小的現(xiàn)網(wǎng)影響部署各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用, 助力網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)極簡化和智慧化運(yùn)維 。
3、 從數(shù)字孿生的定義可以看出，數(shù)字孿生具有以下幾個(gè)典型特點(diǎn)：
1
）
互操作性 ：數(shù)字孿生中的物理對象和數(shù)字空間能夠雙向映射、動(dòng)態(tài)交互和實(shí)時(shí)連接，因此數(shù)字孿生具備以多樣的數(shù)字模型映射物理實(shí)體的能力，具有能夠在不同數(shù)字模型之間轉(zhuǎn)換、合并和建立“表達(dá)”的等同性 。
2
）
可擴(kuò)展性 ：數(shù)字孿生技術(shù)具備集成、添加和替換數(shù)字模型的能力，能夠針對多尺度、多物理、多層級(jí)的模型內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展。
3
）
實(shí)時(shí)性 ：數(shù)字孿生技術(shù)要求數(shù)字化，即以一種計(jì)算機(jī)可識(shí)別和處理的方式管理數(shù)據(jù)以對隨時(shí)間軸變化的物理實(shí)體進(jìn)行表征。表征的對象包括外觀、狀態(tài)、屬性、內(nèi)在機(jī)理，形成物理實(shí)體實(shí)時(shí)狀態(tài)的數(shù)字虛體映射。
4
）高
保真性：數(shù)字孿生的保真性指描述數(shù)字虛體模型和物理實(shí)體的接近性。要求虛體和實(shí)體不僅要保持幾何結(jié)構(gòu)的高度仿真，在狀態(tài)、相態(tài)和時(shí)態(tài)上也要仿真。值得一提的是在不同的數(shù)字孿生場景下，同一數(shù)字虛體的仿真程度可能不同。例如工況場景中可能只要求描述虛體的物理性質(zhì)，并不需要關(guān)注化學(xué)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié) 。
5 ） 閉環(huán)性 ：數(shù)字孿生中的數(shù)字虛體，用于描述物理實(shí)體的可視化模型和內(nèi)在機(jī)理，以便于對物理實(shí)體的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視、分析推理、優(yōu)化工藝參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)決策功能，即賦予數(shù)字虛體和物理實(shí)體一個(gè)大腦。因此數(shù)字孿生具有閉環(huán)性 。
數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)
一個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)，按照其所能實(shí)現(xiàn)的功能來分，大致可分為4個(gè)發(fā)展階段：
（1）數(shù)化仿真階段
在這個(gè)階段，數(shù)字孿生要對物理空間進(jìn)行精準(zhǔn)的數(shù)字化復(fù)現(xiàn)，并通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物理空間與數(shù)字空間之間的虛實(shí)互動(dòng)。這一階段，數(shù)據(jù)的傳遞并不一定需要完全實(shí)時(shí)，數(shù)據(jù)可在較短的周期內(nèi)進(jìn)行局部匯集和周期性傳遞，物理世界對數(shù)字世界的數(shù)據(jù)輸入以及數(shù)字世界對物理世界的能動(dòng)改造基本依賴于物聯(lián)網(wǎng)硬件設(shè)備。
這一階段主要涉及數(shù)字孿生的物理層、數(shù)據(jù)層和模型層（尤其是機(jī)理模型的構(gòu)建），最核心的技術(shù)是建模技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)。通過3D測繪、幾何建模、流程建模等建模技術(shù)，完成物理對象的數(shù)字化，構(gòu)建出相應(yīng)的機(jī)理模型，并通過物聯(lián)網(wǎng)感知接入技術(shù)使物理對象可被計(jì)算機(jī)感知、識(shí)別。
（2）分析診斷階段
在這個(gè)階段，數(shù)據(jù)的傳遞需要達(dá)到實(shí)時(shí)同步的程度。將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型融入物理世界的精準(zhǔn)仿真數(shù)字模型中，對物理空間進(jìn)行全周期的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求，逐步建立業(yè)務(wù)知識(shí)圖譜，構(gòu)建各類可復(fù)用的功能模塊，對所涉數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、理解，并對已發(fā)生或即將發(fā)生的問題做出診斷、預(yù)警及調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對物理世界的狀態(tài)跟蹤、分析和問題診斷等功能。
這一階段的重點(diǎn)在于結(jié)合使用機(jī)理模型及數(shù)據(jù)分析型的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，核心技術(shù)除了物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)外，主要會(huì)運(yùn)用到統(tǒng)計(jì)計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析、知識(shí)圖譜、計(jì)算機(jī)視覺等相關(guān)技術(shù)。
（3）學(xué)習(xí)預(yù)測階段
實(shí)現(xiàn)了學(xué)習(xí)預(yù)測功能的數(shù)字孿生能通過將感知數(shù)據(jù)的分析結(jié)果與動(dòng)態(tài)行業(yè)詞典相結(jié)合進(jìn)行自我學(xué)習(xí)更新，并根據(jù)已知的物理對象運(yùn)行模式，在數(shù)字空間中預(yù)測、模擬并調(diào)試潛在未發(fā)覺的及未來可能出現(xiàn)的物理對象的新運(yùn)行模式。在建立對未來發(fā)展的預(yù)測之后，數(shù)字孿生將預(yù)測內(nèi)容以人類可以理解、感知的方式呈現(xiàn)于數(shù)字空間中。
這一階段的核心是由多個(gè)復(fù)雜的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型構(gòu)成的、具有主動(dòng)學(xué)習(xí)功能的半自主型功能模塊，這需要數(shù)字孿生做到類人一般靈活地感知并理解物理世界，而后根據(jù)理解學(xué)習(xí)到的已知知識(shí)，推理獲取未知知識(shí)。所涉及的核心技術(shù)集中于機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語言處理、計(jì)算機(jī)視覺、人機(jī)交互等領(lǐng)域。
（4）決策自治階段
到達(dá)這一階段的數(shù)字孿生基本可以稱為是一個(gè)成熟的數(shù)字孿生體系。擁有不同功能及發(fā)展方向但遵循共同設(shè)計(jì)規(guī)則的功能模塊構(gòu)成了一個(gè)個(gè)面向不同層級(jí)的業(yè)務(wù)應(yīng)用能力，這些能力與一些相對復(fù)雜、獨(dú)立的功能模塊在數(shù)字空間中實(shí)現(xiàn)了交互溝通并共享智能結(jié)果。而其中，具有“中樞神經(jīng)”處理功能的模塊則通過對各類智能推理結(jié)果的進(jìn)一步歸集、梳理與分析，實(shí)現(xiàn)對物理世界復(fù)雜狀態(tài)的預(yù)判，并自發(fā)地提出決策性建議和預(yù)見性改造，并根據(jù)實(shí)際情況不斷調(diào)整和完善自身體系。
在這一過程中，數(shù)據(jù)類型愈發(fā)復(fù)雜多樣且逐漸接近物理世界的核心，同時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生大量跨系統(tǒng)的異地?cái)?shù)據(jù)交換甚至涉及數(shù)字交易。因此，這一階段的核心技術(shù)除了大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)外，必然還包括云計(jì)算、區(qū)塊鏈及高級(jí)別隱私保護(hù)等技術(shù)領(lǐng)域。
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