上海南京路,一名游客推開南京大樓的窗戶,將身體探出窗外拍照。大樓的數(shù)字孿生系統(tǒng)立刻識別到窗戶異常并發(fā)出警報,得到警報的安保人員快速趕到現(xiàn)場,制止了游客的危險行為。
這個場景,是2月25日上海發(fā)布的以一棟樓為城市最小管理單元的數(shù)字化治理成果,也是其運用數(shù)字孿生的鮮活案例。
上海案例已收錄進中國信通院匯編的《數(shù)字孿生城市典型場景與應(yīng)用案例2020》中,一同收錄的,還有成都高新區(qū)和華西醫(yī)院的案例。這些案例說明,中國各地方政府已在嘗試運用數(shù)字孿生進行城市治理。
但信通院同時指出,不少數(shù)字孿生應(yīng)用依然停留在表層,其實質(zhì)還是傳統(tǒng)信息化。
究竟什么是數(shù)字孿生,又該如何深度應(yīng)用?就這些問題,雨前顧問專訪了四川萬物數(shù)創(chuàng)科技有限公司創(chuàng)始人兼CEO谷瑞翔博士。
谷瑞翔是一名來自內(nèi)蒙古的蓉漂,曾在美國攻讀博士學(xué)位,方向為計算機數(shù)值仿真、分布式系統(tǒng)。畢業(yè)后,他進入美國大型跨國油田服務(wù)公司擔(dān)任高級技術(shù)專家,工作數(shù)年歸國,先是在成都一家科技企業(yè)供職,而后于2018年創(chuàng)立萬物共算網(wǎng)絡(luò),并于同年率團隊獲得TechCrunch國際創(chuàng)新峰會2018深圳站創(chuàng)業(yè)大賽區(qū)塊鏈賽道第一名。2020年谷瑞翔獲評成都市大數(shù)據(jù)領(lǐng)軍人才。
萬物數(shù)創(chuàng)成立至今已三年。今年初,萬物數(shù)創(chuàng)入選成都黑科技撲克牌,是成都最具成長潛力的硬科技公司之一。2020年萬物數(shù)創(chuàng)營業(yè)收入年同比增長733%,新增申請知識產(chǎn)權(quán)5項,并榮獲《四川省計算機科學(xué)技術(shù)獎》三等獎,成為成都市新經(jīng)濟梯度培育企業(yè)。
而谷瑞翔的另一個身份——四川省建筑設(shè)計研究院的數(shù)字化業(yè)務(wù)高級顧問,更能說明他在數(shù)字孿生領(lǐng)域的專業(yè)性。
2016年住建部發(fā)布《2016-2020年建筑業(yè)信息化發(fā)展綱要》,將BIM(建筑信息模型)技術(shù)上升到國家戰(zhàn)略層面,由此“無BIM不施工”成為趨勢,建筑業(yè)開始全面要求進行仿真建模,這為建筑的數(shù)字孿生化奠定了基礎(chǔ)。
目前四川省建院正在積極推進數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作,以BIM為基礎(chǔ)的數(shù)字孿生是其中重點。而基于與萬物數(shù)創(chuàng)前期的合作,省建院聘請了谷瑞翔作為顧問,提供數(shù)字化轉(zhuǎn)型項目指導(dǎo)、課題研究等方面的咨詢服務(wù)。
數(shù)字孿生:先有雞還是蛋?
全球范圍內(nèi)運用數(shù)字孿生最具深度的案例,當(dāng)屬馬斯克的SpaceX。
SpaceX通過數(shù)字孿生技術(shù)將火箭發(fā)射成本降低到傳統(tǒng)商業(yè)發(fā)射公司1/10以下,并成功推進“星鏈”、“星艦”等研發(fā)。此外馬斯克還將數(shù)字孿生的思想遷移到特斯拉的研制上,一度令特斯拉成為全球市值排名第一的車企。
與一般構(gòu)筑孿生體的方法不同,馬斯克不太喜歡把物理世界當(dāng)做數(shù)據(jù)本源,而是先設(shè)計數(shù)字孿生體,并將其視為原始數(shù)據(jù),反向構(gòu)筑物理體,從而實現(xiàn)映射。
在谷瑞翔看來,這種“先有數(shù)字體還是先有物理體”的不同,只是實現(xiàn)數(shù)字孿生的兩種方法,適用于不同場景,并無優(yōu)劣之分。要進行從無到有的研發(fā)制造,適用馬斯克這種數(shù)字體先行的方法,如要對物理世界進行數(shù)字化,那物理體勢必已經(jīng)存在。
比如雄安新區(qū)、成都東部新區(qū)的數(shù)字孿生,因為是在空白地帶新造城市,就可以先有數(shù)據(jù)后有城市;而錦江區(qū)、成華區(qū)等的舊城改造,則是先有城市后有數(shù)據(jù)。
而從宏觀層面來看,在數(shù)字孿生早期發(fā)展階段,用從物理體到數(shù)字體來構(gòu)筑數(shù)字孿生的案例居多,隨著技術(shù)發(fā)展,數(shù)據(jù)先行的案例會越來越多。
谷瑞翔目前在研究的數(shù)字孿生建筑,這兩種數(shù)字孿生的實現(xiàn)方式都要涉及到,因為對建筑物來說,從規(guī)劃設(shè)計到施工,再到運營維護,直至拆除,需要全生命周期的數(shù)字孿生映射來支撐。
規(guī)劃設(shè)計可以視作直接構(gòu)筑建筑物的數(shù)字體,施工則是根據(jù)數(shù)字體構(gòu)筑物理體,在運營維護階段,則需要采集物理世界的各種數(shù)據(jù),來維系物理體與數(shù)字體的映射關(guān)系,這要用到從物理體構(gòu)筑數(shù)字體的技術(shù),而拆除階段更是需要大量采集物理世界的數(shù)據(jù)做仿真支撐。
“物理體可以把數(shù)據(jù)傳給數(shù)字體,同時數(shù)字體也可以把數(shù)據(jù)反饋匯聚到物理體,甚至改變物理體狀態(tài)。它們之間一定需要打開數(shù)據(jù)雙向流通的通道,才算真正意義上的數(shù)字孿生。”谷瑞翔指出,現(xiàn)在很多偽數(shù)字孿生,就是只打開了數(shù)據(jù)單向流動的通道。
至于某些數(shù)字孿生應(yīng)用還停留在表層,其根本原因在于運用數(shù)字體進行仿真推演的能力不過硬。
“數(shù)字體存在的最大意義就是模擬仿真。”谷瑞翔說道:“有些測試在物理世界不好實現(xiàn),比如測試建筑物的緊急疏散能力,火災(zāi)情況下的,地震情況下的,不可能在物理世界放一把火、制造一場地震,而在數(shù)字世界里就可以仿真實現(xiàn)。”
數(shù)字世界的仿真,和物理世界的試驗,成本天差地別?;鸺l(fā)動機的研制成本,75%花費在“試驗、失敗、修改”上,NASA曾因投入過巨,一度放棄研發(fā)載人航天器,而SpaceX則靈活運用數(shù)字孿生來節(jié)省研發(fā)投入,這才維持住“星艦”等載人航天器的研發(fā)工作。
區(qū)塊鏈讓數(shù)字孿生可信
2019年,《連線》雜志創(chuàng)始主編、《失控》作者凱文·凱利,在中國貴陽發(fā)表了一場演講。他認為,未來世界是一個虛擬加上真實的孿生世界,整個現(xiàn)實世界都1:1映射成數(shù)字社會,而為了保證數(shù)字社會的不可篡改和可信,這需要區(qū)塊鏈技術(shù)。
谷瑞翔強調(diào)了區(qū)塊鏈之于數(shù)字孿生的必要性:假如數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)可被隨意篡改,就會破壞物理體和數(shù)字體一一映射的關(guān)系,這動搖了數(shù)字孿生的存在根基,數(shù)字世界的仿真結(jié)果也就不能用來指導(dǎo)物理世界了。
谷瑞翔指出,數(shù)據(jù)可信這件事,在不同的場景里價值不一樣,有時會導(dǎo)致相當(dāng)嚴重的后果。
比如在建筑行業(yè)當(dāng)中,某處施工要求要用某種防水涂料,達成某個厚度的涂抹,結(jié)果因為現(xiàn)實當(dāng)中偷工減料,有人鋌而走險篡改了數(shù)字體中的數(shù)據(jù),并成功通過核驗。這種篡改的后果,建筑物輕則漏水,重則垮塌。
就算運氣好,在項目建設(shè)過程中發(fā)現(xiàn)了這個篡改,但能保證其它數(shù)據(jù)沒有問題了嗎?排查起來成本巨大,就因為一點小小的篡改,讓整個數(shù)字孿生體都變得不可信了。
而區(qū)塊鏈技術(shù)能夠避免這種事情發(fā)生,保證數(shù)字孿生體之間維持可信的映射關(guān)系。除非對超過一半的賬本節(jié)點同時進行惡意的修改操作,否則上鏈數(shù)據(jù)根本無法篡改,這大幅提高了數(shù)據(jù)安全性以及作惡成本。
谷瑞翔還指出,隨著數(shù)字孿生體以及其底層鏈數(shù)量的增加,數(shù)字體之間的數(shù)據(jù)交互也會出現(xiàn)挑戰(zhàn)。如何確保其它數(shù)字體數(shù)據(jù)可信?這就要用到區(qū)塊鏈的跨鏈技術(shù)了。
他為我們描繪了這樣一幅未來圖景:區(qū)塊鏈技術(shù),在各個孤立的數(shù)字孿生體之間,建立起可信的數(shù)據(jù)橋梁。繼互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)之后,另一張數(shù)字孿生的網(wǎng)絡(luò)正在悄然編織,最終將成為一個數(shù)字孿生的世界,而區(qū)塊鏈則在其中穿針引線。
目前萬物數(shù)創(chuàng)正在各種場景中,探索基于分布式計算、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生等技術(shù)的應(yīng)用,已與中國電信、鼎橋通信、四川省建院,以及成都周邊十余個社區(qū)等達成業(yè)務(wù)合作,應(yīng)用場景覆蓋建筑設(shè)計、社區(qū)治理、動畫渲染等。
2021年萬物數(shù)創(chuàng)還將與某芯片公司達成合作,聯(lián)合推出能夠確保數(shù)據(jù)可信的區(qū)塊鏈芯片級產(chǎn)品,助力數(shù)字孿生世界的實現(xiàn)。
谷瑞翔期待攜手更多合作伙伴:“作為做中間層技術(shù)的公司,要讓我們的技術(shù)產(chǎn)生更大的價值,業(yè)務(wù)就必須要上探和下探。上探到應(yīng)用層,比如聯(lián)合省建院做具體項目,下探到物理層,比如做芯片。但一家公司不可能把所有層次的業(yè)務(wù)都做得很好,所以我們離不開生態(tài)合作伙伴的支持與幫助。”
谷瑞翔表示,對上探下探方向的決策,以及上探下探程度的把握,已經(jīng)成為現(xiàn)階段萬物數(shù)創(chuàng)發(fā)展的最大挑戰(zhàn)。
萬物數(shù)創(chuàng)參展鏈博會的硬件與方案展品
美國高度重視建模與仿真技術(shù)
目前數(shù)字孿生的定義還不是很明確。亞洲仿真聯(lián)盟(ASIASIM)主席、北京航空航天大學(xué)教授張霖曾經(jīng)辨析了各種說法,并給出了一個值得參考的定義:
數(shù)字孿生是物理對象的數(shù)字模型,該模型可以通過接收來自物理對象的數(shù)據(jù)而實時演化,從而與物理對象在全生命周期保持一致。基于數(shù)字孿生,可進行分析、預(yù)測、診斷、訓(xùn)練等(即仿真),并將仿真結(jié)果反饋給物理對象,從而幫助對物理對象進行優(yōu)化和決策。
張霖提到,美國相當(dāng)重視數(shù)字孿生背后的建模與仿真技術(shù)。
美國國會于2007年通過了487號決議,該決議將建模與仿真列為影響國家安全繁榮和保持絕對領(lǐng)先優(yōu)勢的具有戰(zhàn)略意義的國家關(guān)鍵技術(shù)。
這篇決議稱,“美利堅合眾國是一個偉大而繁榮的國家,而建模和仿真極大地促進了這一偉大和繁榮。”
具體如何促進的?
有幾個例子:曼哈頓計劃期間,美國通過最早復(fù)現(xiàn)核鏈式反應(yīng)過程的仿真,拓展了對核裂變的理解,最終促成第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束;在不進行真實核試驗的情況下,建模和仿真使美國確保了核武器的安全可靠,展示了國家對核不擴散的承諾……
這種量級的例子,決議一口氣羅列了11個。
此外,美國于2018年修訂生效的新版《高等教育法》,專門將建模和仿真作為一項重要內(nèi)容列入其中。在這個法案中,沒有任何一項技術(shù)能夠和仿真享受相同禮遇,包括近年熱門的人工智能和5G。
這其實不難理解:數(shù)字孿生,或者說建模與仿真,是未來科技樹的根部,是一種能夠加速科技演進的科技。它回答了數(shù)字體和物理體如何交互的問題,令虛擬世界和真實世界合而為一。它串聯(lián)起了第四次工業(yè)革命的各項技術(shù),隱有接棒蒸汽機、電力、計算機、互聯(lián)網(wǎng)等主導(dǎo)技術(shù)之勢。
認識到這些意義后,不論美國如何重視數(shù)字孿生,都不為過。
然而張霖指出,雖然建模和仿真技術(shù)六十多年前誕生于美國,且一直在為美國的國家利益發(fā)揮不可估量的作用,但美國人從來不拿出來炒作。這背后的原因值得我們深思。(雨前顧問分析師 程學(xué)怡)