文|智東西 李水青
編輯|心緣
萬萬沒想到，這屆北京冬奧會不僅火了冰雪運動員谷愛凌、吉祥物“冰墩墩”，還火了“數(shù)字孿生”這一貫穿冬奧會各個場館臺前幕后的“高科技”。
數(shù)字孿生（Digital Twin）也稱數(shù)字雙胞胎，顧名思義，就是根據(jù)真實世界再創(chuàng)一個與之1：1映射的數(shù)字虛擬世界，讓人們在其中去預(yù)演真實世界，控制真實世界。在本屆冬奧會中，從谷愛凌飛躍的大跳臺到開幕閉幕場館“鳥巢”，甚至是背后的電力運維系統(tǒng)，無一不用到了這一聽起來和“元宇宙”一樣神秘的技術(shù)方案。
這就好比是，在冬奧會打造“第二個冬奧”。
1月19日，北京冬奧組委發(fā)布公告稱，冬奧會“場館仿真系統(tǒng)”名列奧運經(jīng)濟遺產(chǎn)分冊中“科技冬奧”板塊第三類首位。該系統(tǒng)正是基于數(shù)字孿生模型，奧林匹克廣播服務(wù)公司（OBS）主席雅尼斯先生稱其為“擁抱未來的技術(shù)”。
▲國家速滑館數(shù)字孿生操作系統(tǒng)界面
實際上，源于工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)字孿生技術(shù)在過去幾年里已經(jīng)風(fēng)靡起來，在中國各大城市、無數(shù)園區(qū)中如雨后春筍般落地實踐，無論是天津濱海的數(shù)字孿生城市，還是北京通州的數(shù)字孿生小鎮(zhèn)，或是湖北三峽的水壩運維，都已經(jīng)用上了“數(shù)字孿生”技術(shù)。
冬奧會數(shù)字孿生方案可以說是數(shù)字孿生城市技術(shù)在體育場館這一細分領(lǐng)域的集中爆發(fā)。
再看看產(chǎn)業(yè)，我們看到包括華為、阿里、騰訊、英特爾、京東、百度等在內(nèi)的科技巨頭全都深度入局，以及眾多像泰瑞數(shù)創(chuàng)、51World、優(yōu)锘科技這樣的創(chuàng)企也已賺得盆滿缽滿。去年以來，一股“元宇宙”的熱風(fēng)更把數(shù)字孿生這一背后核心技術(shù)吹得熱火朝天，吸引資本紛紛入局。
中國工程院院士倪光南在2019數(shù)博會“數(shù)字孿生城市建設(shè)與產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新全球峰會”上說：“（數(shù)字孿生城市）這個題目目前來講我在全國第一次見到，甚至全球可能也是第一次，相信會引領(lǐng)以后的潮流。”
從今年冬奧會來看，數(shù)字孿生技術(shù)引領(lǐng)世界潮流的一天似乎已經(jīng)要來了。
01.史上首屆“數(shù)字孿生”冬奧會
對于奧運賽事轉(zhuǎn)播商OBS來說，為了在冬奧會中讓電視機前的觀眾看到冰雪賽事的最佳角度，他們往往需要提前親自前往現(xiàn)場，進場館、爬雪山進行查勘，拿相機模擬拍攝切播。
然而今年，受疫情影響難以及時到場，許多在國外的OBS同事轉(zhuǎn)而找到了一個新辦法——通過一個在電腦桌面上虛擬的數(shù)字孿生場館，他們就遠程模擬了鏡頭的點位、參數(shù)及切播順序，進而在真實場景中直接應(yīng)用。
▲通過數(shù)字孿生場館系統(tǒng)進行轉(zhuǎn)播方案設(shè)計
如果說今年冬奧會是一場科技冬奧，那么“含科量”最高的一定可以算上這一“高科技”——數(shù)字孿生。
一般認為，數(shù)字孿生（Digital Twin）概念在2011年首次被美國空軍研究實驗室提出，并被美國通用電氣、德國西門子等企業(yè)用于工業(yè)領(lǐng)域。近年來，數(shù)字孿生被我國引入到智慧城市、園區(qū)等領(lǐng)域——通過構(gòu)建一個信息維度上的城市/園區(qū)，讓兩者像一對雙胞胎一樣共同存在，從而操控真實場所。數(shù)字孿生這一近年在國內(nèi)興起的技術(shù)，在本屆冬奧會的多個場景中可以說“全面開花”。
讓我們先看向冬奧會開幕、閉幕的場館鳥巢，一個復(fù)刻鳥巢的“數(shù)字孿生操作系統(tǒng)”在儀式期間動態(tài)采集設(shè)備的運行情況、環(huán)境變化、人流聚集疏散情況。
其實，在表演創(chuàng)排階段，數(shù)字孿生系統(tǒng)已經(jīng)起到了作用。比如，開幕式第一個節(jié)目《立春》，如何讓近400名演員同時揮舞發(fā)光棒互不干擾就是一個難題，而這些都是通過數(shù)字孿生仿真技術(shù)模擬實際效果，進而實現(xiàn)的。
再看看冬奧會賽事現(xiàn)場，在12個冬奧會競賽場館、3個奧運村、冬奧會主媒體中心和北京冬奧組委等多個場所，一個名為VSS的數(shù)字孿生場館模擬仿真系統(tǒng)正在運轉(zhuǎn)工作。該系統(tǒng)由英特爾聯(lián)合北京電影學(xué)院、視伴科技等機構(gòu)打造。
據(jù)悉，基于該系統(tǒng)，奧組委可以遠程對場館內(nèi)的設(shè)置提出修改意見，減少實地勘查的時間成本與疫情防控風(fēng)險；奧運轉(zhuǎn)播團隊可以直接通過模擬拍攝角度選擇合適的機位；冬奧會運動員們無需來到現(xiàn)場就能選擇自己心儀的房間，提前看現(xiàn)場，甚至模擬訓(xùn)練……
▲通過數(shù)字孿生場館系統(tǒng)遠程提前看賽場
英特爾技術(shù)專家告訴我們，剛剛播出的冰球比賽頒獎就用到了這套數(shù)字孿生系統(tǒng)。冰球頒獎需要一個個團隊逐一上場，志愿者、頒獎人員及現(xiàn)場的流程、音樂等調(diào)度工作復(fù)雜。為了頒獎現(xiàn)場順利推進，組委會通過數(shù)字孿生系統(tǒng)用幾支模擬隊伍及其他模擬要素進行了模擬彩排，從而大大節(jié)省了彩排時間和次數(shù)。
賽事研判、選手訓(xùn)練等場景可能也用到了數(shù)字孿生技術(shù)。根據(jù)中國信通院發(fā)布的《數(shù)字孿生城市優(yōu)秀案例匯編（2021年）》，其中第一個典型案例就是來自51World公司的“雪場賽道數(shù)字孿生分析系統(tǒng)”。
按照報告描述，當滑雪運動員從陡峭的賽道上躍起，多個傳感器已實時捕捉他的運行軌跡，并把數(shù)據(jù)上傳到后臺的雪場賽道數(shù)字孿生分析系統(tǒng)中，進而進行數(shù)據(jù)分析、輔助賽事研判、模擬轉(zhuǎn)播等。
數(shù)字孿生更滲透進冬奧場館的深度運維中，根據(jù)主流媒體報道，在本次冬奧會三個賽區(qū)的數(shù)十座場館里的電力調(diào)配，正是由一個數(shù)字孿生電力“智慧大腦”掌控。這是北京優(yōu)锘科技公司助力國家電網(wǎng)北京電力建設(shè)的電力運行保障指揮平臺，是奧運史上首次電力業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化、智能化的全景監(jiān)視。
從前臺開幕式、賽事，到后臺的場館管控、基礎(chǔ)設(shè)施運維，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)滲透到了冬奧會的各個環(huán)節(jié)。背后，這些系統(tǒng)又是如何運作的？有什么樣的技術(shù)邏輯？我們和行業(yè)技術(shù)專家們聊了聊。
02.冬奧會場館的“數(shù)字孿生”是如何實現(xiàn)的？
冬奧會的數(shù)字孿生場館系統(tǒng)是如何運作的？
一位深度參與VSS系統(tǒng)的英特爾技術(shù)專家告訴我們，拿“大跳臺”模擬轉(zhuǎn)播來說，導(dǎo)播團隊的操作可以大致分為以下幾步：
1、將操作界面接入大跳臺的數(shù)字孿生系統(tǒng)中。2、把數(shù)字孿生系統(tǒng)中的攝像機挪動到合適的位置，同時把攝像機的參數(shù)調(diào)到適合的焦距、光圈等。3、各機位模擬完后，從各個俯視圖、正視圖去看它拍攝的角度畫面。4、最后輸出一個匯聚各個切播鏡頭的視頻，模擬出來后在真實應(yīng)用中去復(fù)制方案。
可以看到，這是一個通過數(shù)字孿生實現(xiàn)線上線下遠程協(xié)作的典型應(yīng)用。那么背后的數(shù)字孿生系統(tǒng)又是如何建成的？
在解答這個問題前，讓我們先來總結(jié)下這些數(shù)字孿生系統(tǒng)有什么樣的共性。實際上，盡管數(shù)字孿生技術(shù)被應(yīng)用到了賽場、開幕式、電力運維等各個方面，但作為數(shù)字孿生城市在細分領(lǐng)域的落地，理論上它們的功能不外乎以下四個：
1、模擬仿真。對現(xiàn)實場景進行線上復(fù)制，支持線上模擬預(yù)演等動作。
2、全息動態(tài)感知。數(shù)據(jù)集中在一個平臺并實現(xiàn)可視化，并盡量實時動態(tài)更新。
3、實時診斷。通過AI等技術(shù)對采集數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化分析，該系統(tǒng)支持實時報警、診斷事件因果等功能。
4、決策建議。通過知識圖譜等技術(shù)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)模擬現(xiàn)實世界情況給出措施建議。
總的來說，在這四個功能中，模擬仿真是基本上所有數(shù)字孿生系統(tǒng)標配的功能，而后三者則是在此基礎(chǔ)上的疊加。
搭建一個具備基本功能的數(shù)字孿生系統(tǒng)需要哪些步驟？結(jié)合業(yè)內(nèi)人士的解讀，我們可以將實現(xiàn)數(shù)字孿生簡單分為三步：首先需要將物理空間的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)感知并翻譯為一組數(shù)據(jù)，然后通過建模將數(shù)據(jù)還原映射，形成一個孿生的物理模型，最后利用AI算法技術(shù)對相關(guān)信息進行解析，指導(dǎo)決策。
英特爾技術(shù)專家告訴我們，冬奧會是一個非常大的平臺，驗證了數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用價值。過去，人們都是在“一張平面圖”上（對奧運賽事）進行規(guī)劃，現(xiàn)在，人們是在“一張立體圖上”規(guī)劃，以此促進了24小時多人遠程無紙化互動，同時還支持數(shù)字化資產(chǎn)的傳承和轉(zhuǎn)移。
實際上，從“一張平面圖”到“一張立體圖”的轉(zhuǎn)變背后，更深層次的意義是通過全域數(shù)據(jù)的實時可視化，挖掘數(shù)據(jù)的最大價值。
而這，其實是一場在中國智慧城市產(chǎn)業(yè)中長達五年的技術(shù)試驗成果在一次國際性展會中的大檢閱。
03.五年“數(shù)字孿生城市”技術(shù)大爆發(fā)
業(yè)內(nèi)人士告訴我們，本次冬奧會各大場館中涌現(xiàn)出的不同數(shù)字孿生系統(tǒng)，是既有數(shù)字孿生城市技術(shù)積淀實力的一次集中爆發(fā)。
“數(shù)字孿生城市”的提法應(yīng)該是在2017年前后起于數(shù)字雄安新區(qū)項目。雄安新區(qū)是萬眾期待的“數(shù)字之都”，隨著雄安打響“數(shù)字孿生城市”建設(shè)的第一槍，近幾年來，數(shù)字孿生城市在城市綜合治理等大場景中陸續(xù)試點，在許多園區(qū)、校園等中小型場景中已經(jīng)實現(xiàn)了規(guī)模性突破，這才為其在本屆冬奧會中發(fā)揮作用奠定了基礎(chǔ)。
2021年以來我國進入“十四五”時期，數(shù)字孿生城市先被寫進《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》，而后2021年12月，國務(wù)院印發(fā)《“十四五”數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》，首次明確提出“提升城市綜合管理服務(wù)能力……因地制宜構(gòu)建數(shù)字孿生城市?！?/p>
數(shù)字孿生城市建設(shè)在國家層面定調(diào)，是對過去幾年來數(shù)字孿生城市建設(shè)總結(jié)升華。
最早在2018年11月，住建部選擇通州、廣州、南京、廈門、雄安為首批5個CIM（城市信息模型平臺）試點，由此拉開了數(shù)字孿生城市建設(shè)的序幕。
CIM是一個具有城市語義信息的“三維模型”。數(shù)字孿生城市與智慧城市可以說共用基本技術(shù)架構(gòu)，但最大的區(qū)別是為其加了一個CIM底座，它需要基于新型測繪、標識感知、虛擬現(xiàn)實、模擬仿真等技術(shù)對城市數(shù)據(jù)進行采集，進而實現(xiàn)城市的三維重建。
2020年10月，住建部又再次組織在重慶、太原、南京等16個城市開展“新城建”試點，其中CIM平臺建設(shè)是試點的必選內(nèi)容之一。
2021年6月，住建部經(jīng)過梳理各地CIM基礎(chǔ)平臺建設(shè)發(fā)現(xiàn)，個別地區(qū)對于“什么是CIM基礎(chǔ)平臺”存在認識不一、模糊不清等問題，因此，印發(fā)《城市信息模型（CIM）基礎(chǔ)平臺技術(shù)導(dǎo)則》，首次明確回答了“什么是CIM基礎(chǔ)平臺”這一基礎(chǔ)問題。
進入2021年，CIM這一新物種已經(jīng)在全國上下遍地開花。根據(jù)中國信通院報告，全國CIM相關(guān)標數(shù)從2018年的2項增長至20221年（截至10月底）的149項，增長率超200%，遠大于智慧城市增速，總費用超過30億元。
而全國的數(shù)字孿生案例，已經(jīng)涌現(xiàn)出了濟南泉域四維地質(zhì)環(huán)境可視化信息系統(tǒng)平臺、成宜智慧高速數(shù)字孿生應(yīng)用場景、天津濱海數(shù)字孿生城市、廣州“穗智管”城市運行管理中樞項目等多個知名的城市數(shù)字孿生標桿項目。
04.智慧城市的“升維賽道”，創(chuàng)企與巨頭共舞
前面提到，由于僅僅是在智慧城市的框架上增加了一個CIM底座，數(shù)字孿生城市也基本沿用了智慧城市的技術(shù)架構(gòu)。這里，我們可以帶著不太了解智慧城市基本技術(shù)架構(gòu)的讀者看看：
首先，在底層的ICT架構(gòu)方面，數(shù)字孿生城市與智慧城市共用一整套云、邊、網(wǎng)、端基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)；
然后往上，是城市數(shù)據(jù)平臺，類似京東城市操作系統(tǒng)、華為“沃土”數(shù)字平臺、浪潮數(shù)字城市底座等，將所有場景的數(shù)據(jù)匯聚到一個平臺中。數(shù)字孿生城市要求在這一層面匯聚更多的時空數(shù)據(jù)、高精地圖信息、運行數(shù)據(jù)等，可能將數(shù)據(jù)量大大擴展。
最后是最上面的應(yīng)用層，常見的包括城市大腦、運營智慧中心、交通指揮中心等，數(shù)字孿生城市可能會增加更多仿真模擬推演等應(yīng)用。
數(shù)字孿生城市與智慧城市在技術(shù)架構(gòu)上基本沿用，也意味著在產(chǎn)業(yè)鏈上也基本重合，覆蓋了包括網(wǎng)絡(luò)運營商、系統(tǒng)集成商、ICT企業(yè)、云服務(wù)商等多層玩家。
當下，可以看到我們熟知的科技巨頭都已經(jīng)大力布局數(shù)字孿生城市。
除了本次冬奧會中推動數(shù)字孿生場館系統(tǒng)的英特爾，比如阿里的楊浦區(qū)城運中心“一網(wǎng)統(tǒng)管”項目、阿里云智慧水利數(shù)字孿生應(yīng)用場景都已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)的標桿項目；騰訊與重慶市住建委聯(lián)合發(fā)布的微瓴智能建造平臺，已接入108個項目試點，建立了基于CIM的智能建造“一張圖”……這些都是巨頭們深度入局的佐證。
與此同時，一些體量不大的空間視覺類企業(yè)也憑借突出的創(chuàng)新能力，獲得與大型數(shù)字孿生項目合作的機會。包括泰瑞數(shù)創(chuàng)、51World、北京數(shù)字冰雹、優(yōu)锘科技等都推出了自己的“拳頭”數(shù)字孿生平臺或產(chǎn)品，直接或間接參與本次冬奧會的數(shù)字孿生方案。
數(shù)字孿生城市依賴智慧城市中的ICT、城市數(shù)據(jù)平臺等基礎(chǔ)設(shè)施，這也意味著三大運營商、華為、阿里、騰訊、英特爾這樣的科技巨頭依然占據(jù)著主導(dǎo)地位。與此同時，空間視覺、數(shù)據(jù)智能領(lǐng)域的創(chuàng)企由于具有更加聚焦的創(chuàng)新能力，也出現(xiàn)在各大項目背后，賺得盆滿缽滿。
一方面，新玩家依賴科技巨頭建好的“一張藍圖”，另一方面，“一張立體圖”帶來的新要求也不僅僅是二維視覺變?nèi)S視覺，而是對全域數(shù)據(jù)的收集、匯聚和處理應(yīng)用能力，以及更加綜合全面的城市治理能力。
當下，數(shù)字孿生的發(fā)展也面臨一些挑戰(zhàn)。英特爾技術(shù)專家告訴我們，數(shù)字孿生方案會帶來很多數(shù)字資產(chǎn)，數(shù)字資產(chǎn)保護可能面臨挑戰(zhàn)。同時，隨著我們將數(shù)字孿生系統(tǒng)進行“上云”，數(shù)字孿生方案需要傳輸、計算能力，以及邊緣計算節(jié)點、前端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備蓬勃發(fā)展，同時需要硬件、編解碼能力提高，從而實現(xiàn)更加流暢的數(shù)字孿生體驗。
總的來看，數(shù)字孿生城市產(chǎn)業(yè)是一個生長在智慧城市產(chǎn)業(yè)鏈上的“升維”賽場，需要端、邊、網(wǎng)、云、芯等多個環(huán)節(jié)的玩家合力，共同挖掘出現(xiàn)實世界數(shù)據(jù)的更大價值。
05.結(jié)語：冬奧會印證數(shù)字孿生技術(shù)的長期價值
本屆冬奧會已經(jīng)在不經(jīng)意間成為了一場中國科技博覽會，包括數(shù)字孿生、云轉(zhuǎn)播、機器人等眾多“高科技”都扛起大梁。不過，這些技術(shù)大多并不是為了大會趕工而來，而是中國科技發(fā)展到一定程度，在一場盛會上自然而然地落地展現(xiàn)。
“數(shù)字孿生”可以說是本屆冬奧會中“含科量”最高的技術(shù)之一，實際上，它并不是單純的一個模擬仿真技術(shù)，而是融合了云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、VR等多種技術(shù)的綜合體，使命則是將更多的數(shù)據(jù)價值發(fā)掘出來。
這些“高科技”不僅為冬奧會帶來真實便利，隨著被更多人了解，它們也有望在今后被更多領(lǐng)域被復(fù)用。