“数字孪生”:智慧城市发展快车道

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智东西
李水青
2019-12-13 · 21:00
[ 亿欧导读 ] 扯开“数字孪生城市”面纱!
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本文转载自智东西,原作者李水青,原标题《扯开“数字孪生城市”面纱!两派争鸣,噱头还是新风口?》。经亿欧编辑,供行业人士参考。

就在上个月底,“千年大计”雄安新区数字孪生城市建设传来前方消息。

雄安新区首席信息官张强说,雄安智能城市与物理城市同步进入了大规模开工建设阶段,目前正在全力打造智能城市“一个中心、四个平台”基础设施体系。也就是说,雄安新区数字孪生城市的“数据基底”正在成型

自2017年启动以来,雄安新区就寄托了国人对大国复兴背景下“数字之都”的期待,什么样的城市治理方案能够匹配得上“千年大计”?“数字孪生城市”应运而生。

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▲雄安数字孪生城市的“数字基底”面世

其实,除了雄安新区,包括北京市通州副中心、南京江北新区、重庆两江、贵州贵阳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的推进。

半年前,中国工程院院士倪光南在2019数博会“数字孪生城市建设与产业创新全球峰会”上说:“这个题目目前来讲我在全国第一次见到,甚至全球可能也是第一次,相信会引领以后的潮流。”

潮流比想象中来得更快。“数字孪生”概念诞生不到十年,“数字孪生城市”的说法也是2017年才出现,而就在短短一年多的时间后,“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。

在产业层面,“数字孪生城市”的热度可谓升级到了“白热化”。不仅阿里、百度、腾讯、阿里、京东等互联网巨头、通信巨头纷纷牵头构建生态;众多安防大佬、AI独角兽、系统集成商也一头扎进各地的数字孪生“盛宴”中;甚至,在AR/VR热潮时代演进来的空间信息领域创业公司也借此找到了等待已久的“金矿”。

在资本方面,2019年以来,我国多支“数字孪生”概念股涨停;阿里巴巴、启迪金控、中信建投等都向相关公司投入过亿投资;深耕“数字孪生”的超图公司、51VR、泰瑞数创等多家空间信息创企也在今年获得多轮融资,其中有不少过亿。

然而,或许因为一切发展得太快,市场和传播场中的“熵”偏高,即使是业内人士也不乏对“数字孪生城市”表示心存困惑。这个话题在被政企资学各界频频提及的同时,也令很多人眉头一皱,“不太明白”。

那么,热炒的数字孪生城市究竟是什么?不同的智能城市解决方案中出现的“数字孪生城市”是真正的创新还是“营销噱头”?它和智慧城市又有什么区别和联系?

为了探讨这些问题,智东西对来自中国信通院、安防企业、AI独角兽及VR/AR企业的多位专家进行了深入调查走访。希望通过探访,我们能更明晰地认识这个与城市治理方式变迁息息相关的“数字孪生”密钥。

由“数字孪生”本身而来的分野

一般认为,“数字孪生城市”概念在我国最早由中国信通院的研究人员提出,并在2018年被写入雄安新区规划纲要中。

中国信通院高艳丽教授回忆当时的场景:“在雄安项目需求的倒逼下,团队压力比较大,背后做了很多工作,最终,才决定将工业领域的“数字孪生”概念运用到城市治理领域,没想到正好契合了雄安数字之都的需求。”

那么工业领域的“数字孪生”又有什么由来?在背后,有一个小故事。

国内最早接触数字孪生的人大多认为,这个概念是美国学者Michael W. Grieves在2014年提出的。Grieves将数字孪生(Digital Twin)定义为:物理产品或资产的虚拟复制。此复制实时更新,或尽可能定期更新,以尽可能地匹配其真实世界。

Grieves曾说“数字孪生”概念最早由他在2003年密歇根高管培训会上就提出,但可考的书面证据又指向另一种可能——数字孪生”概念最早出现于2011年美国空军研究实验室的相关文献上,用以解决战斗机的机体维护问题。而后又被美国通用电气、德国西门子等企业用于工业。

注意,这个故事表面上是关于概念首创的争议,背后却是不同理念的分野。

Grieves的“数字孪生“更强调仿真、建模特征,例如海尔的透明工厂的数字孪生,侧重的就是管理现场的重现;而美国国防部把数字孪生体看成降本增效的工具,却不太强调建模载体本身。

“数字孪生”概念本身的暧昧,为我国“数字孪生城市”的流派之争埋下了伏笔。

两派争鸣:仿真派 VS 数据派

在雄安新区打响“数字孪生城市”建设的第一枪之后,一阵“数字孪生城市”的浪潮在全国范围内铺开。

互联网、通信、安防、AI、大数据、AR/VR等各行各业的厂家也推出自己的数字孪生城市方案、相关技术和应用模块,比如阿里城市大脑加持的“数字孪生城市”、华为的“5G+AI,开启智慧城市孪生新时代”、科大讯飞的数字超脑、51VR的51City OS等等。

从方案中展现的理念的分野来看,我国数字孪生城市可以大致分为“仿真派”和“数据派”。

1、仿真派

当城市突发火灾,难以预料的火情和复杂的路况使消防员的工作难度加大。

这时候,如果在计算机上有一个和现实大楼一模样的三维数字模型,消防员就可以在模型上进行模拟救灾,从而更有把握地精准救灾,避免许多无辜的死伤。

这背后就是“仿真派”的思维方式。我国“数字孪生城市”概念诞生之初更接近“仿真派”。

根据信通院《2018数字孪生城市白皮书》,数字孪生城市可以理解为:一个信息维度上的虚拟城市,它与物理维度上的实体城市紧密联系。它们俩同生共存、虚实交融,就像一对双胞胎,从而构成城市未来发展形态。

因此,在“数字孪生城市”方案中,需要在已有的智慧城市框架上建立一个关键的“城市信息模型平台”(CIM)。这个具有城市语义信息的“三维模型”需要基于新型测绘、标识感知、虚拟现实、模拟仿真等技术对城市数据进行采集,进而实现城市的三维重建。

“仿真派”数字孪生城市的兴起为前几年VR/AR热潮中诞生的空间信息厂商们带来了新的契机。GIS领头企业超图公司推出国内首个三维空间数据规范标准,泰瑞数创发布实景世界云平台“Smart Earth”,51VR推出的“51City OS”推出五个月落地十余座城市……

51VR数字城市事业部负责人刘晓伦告诉我们,实现数字孪生简单来说分为三步,首先需要将物理空间的非结构化数据感知并翻译为一组数据,然后通过建模将数据还原映射,形成一个孪生的物理模型,最后利用AI算法技术对相关信息进行解析,指导决策。

51VR早就将空间构建和还原技术应用于自动驾驶领域,而后,又在雄安新区建设中与京东数科公司合作建设雄安数字孪生城市,在深圳坂田、东莞松山湖园区与华为合作推出数字孪生园区。

刘晓伦说,将空间重建技术从自动驾驶训练仿真场景迁移到数字孪生城市领域,其实算得上是技术的降维,因为精度会相对低很多。

作为一个完整的宏大的规划蓝图,“仿真派”的数字孪生城市概念一诞生,就因形象简明的定义、明确可执行的步骤被广泛传播和认知,并得到各地政府、企业的认同。

工信部4月26日在关于加强质量品牌建设支撑制造业高质量发展的实施意见(征求意见稿)》提出,“推进数字双胞胎技术应用,推广可靠性仿真、质量波动仿真等模型和方法。”数字双胞胎也就是数字孪生。

但是,随着实践的深入,一些地方和企业将数字孪生仅简单地理解为建模、仿真甚至于CAD(一种专业的3D制图软件)等,这就容易形成“只见树叶,不见森林”的局限,从而阻碍城市治理方式的进一步升级和效率的提升。

2、数据派

数字孪生就是“仿真”吗?答案在一些厂家那里肯定是否定的。

在阿里的《城市大脑探索“数字孪生城市”白皮书》中更强调的是“城市大脑”,大华在其HOC城市之心数字孪生方案中侧重其“DAHUA GAIA”大数据平台,佳都科技等企业的“数字孪生”中甚至全然没有提到重建、仿真等要素。

这类企业大致认同,将城市数据通过大数据、计算机视觉技术充分感知、挖掘,从而在互联网空间塑造一个数字层面的城市,就是“数字孪生”,而实景重现、建模并不是必须的,我们暂且称之为“数据派”。

旷视科技城市大脑产品副总裁那正平说:“数字孪生城市建设中涉及一个世界、两个空间和大量数据。目前,‘互联网空间’中的数据已经被挖掘地比较充分了,实现了很好的孪生;但是“物理空间”的视频等数据还有高达95%没有被用到,如果把这些数据挖掘出来,就能够大大提高物理空间的数据孪生程度。”

那正平认为,仿真在一些局部场景中会用到,比如仓储物流、社区或园区管理等;但对于很多场景来说,VR/AR、实景重现是伪需求,如果空间中的数据无法很好地被感知,空有一个三维模型是没用的。

数字孪生城市“数据派”更加强调现实世界的“感知”环节,认为需要对全域数据进行实时感知,从而提高城市的“数字孪生”程度。“数据派”倾向于通过数据中台、计算机视觉算法等技术来加持城市治理操作系统,从而使城市治理系统发挥指导决策作用,而非强调3D模型仿真。

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▲阿里城市大脑的相关页面

“数据派”对数字孪生城市的诠释能使人们跳出“模拟仿真”的狭隘的桎梏,进而扩大“数字孪生城市”概念的外延,使这个概念在更大范围被接受。

但问题在于,如果将数字孪生城市的概念外延无限扩大,将会使概念失去本身的意义。换句话说,人们可能会困惑和混淆,“数字孪生城市”和“智慧城市”的区别是什么呢?如果没有太大的区别,这个概念也就很可能成为一个“噱头”,只剩下营销意义。

其实,数字孪生城市“仿真派”和“数据派”并非真正的对立关系,而是存在自己的特定语境。

“仿真派”的数字孪生出现在概念产生之初,“三维建模”特征自然成了“数字孪生”最明确、最显性、易切入,因此也成为广为流传的记忆点;而当业界对数字孪生城市概念已经有一定的熟知度时,“数据派”的观念的出现,则提醒大家不要陷入“形式主义”陷阱,从而忽略了数字孪生城市背后的数据驱动本质。

共同点:智慧城市的延展

虽然“数字孪生城市”的两大流派具有不同的特征,但它们本质上持有一个相近的理念:通过城市全域数据的实时可视化,挖掘数据的最大价值。

简单来说,在这一理念支持下,数字孪生城市有以下三大功能。

1、全息动态感知。当特定地域、行业中的数据被采集在一个平台中,进而实现可视化,能使城市治理者“看得更全”;实时或者定时的数据采集、感知则使城市治理者能够“看得更及时”。

比如,城市管理者可以更加便捷地了解到城市交通早晚流量差异、城市区域人口热力对比、火灾现场的路况和火况等情况。

2、实时诊断。当某些地方出现异常情况,通过AI等技术对采集数据的结构化分析,数字孪生城市系统将能够实现实时报警、诊断事件因果等功能。

比如,当街道上发生交通事故时,数字孪生城市系统能够通过监测车辆状态,结合前后时段、周边位置其它人、车、物的实时状态判别事故原因。

3、决策建议。当日常的数据被有序地存储和治理,通过知识图谱等技术,数字孪生城市系统能够根据模拟城市的情况,给出日常治理和应急事故中可以采取的措施,以及预测未来城市的面貌。

比如,当需要建立新的学校、医院等基础设施或者为电动车充电桩选址规划时,城市治理者可以利用数字孪生城市平台进行规划设计。

数字孪生城市的诞生背后具有强大的技术驱动力,涉及云、边、网、端等多方面。

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▲中国信通院《2019数字孪生城市白皮书》:数字孪生城市总体架构

我国云计算技术巨头广布且实力居于世界前列,云边协同技术日益成熟,5G、微波、光纤连接等通信技术互为补充,这都为海量城市大数据的存储、传输和治理提供了硬基础。同时,我国的计算机视觉、机器学习、自然语言处理等人工智能技术迅速迭代,也大大赋能数字孪生城市的建设。

在物联网端方面,我国智能安防产业的蓬勃发展为数字孪生城市创造了得天独厚的契机。根据国际权威信息服务机构IHS Markit前几天发布的报告预测:截至2021年,全球将部署10亿个安防摄像头,其中,我国的安装数预计达到5.6亿多个。

安防企业该如何存在?

有人说,“数字孪生城市”是安防行业的升级和延伸,那么在新的升级战场中安防企业扮演着什么角色呢?

在传统安防时代,安防摄像头获取的视频图像只需要存储起来,待需要的时候进行查看,因此掌握安防摄像头及视频编解码技术的安防企业占据绝对优势地位,并在过去近20年里收获了上千亿市场红利。

但是随着数字化、智能化时代的到来,视频的获取和存储只成为视频信息流末端的一环。当视频数据被获取后,还有结构化分析、数据治理、仿真重建等众多环节,也涉及多个行业的玩家。

具体来说,交通、财务、公安等各个垂直领域视频数据在被采集后需要进行结构化解析等处理,进而在“数据中台”汇聚并进行治理,最后数据通过知识图谱、联邦学习等技术应用到交通、财务、公安等各个垂直领域。在这个过程中,涉及到的玩家既有云服务商、通讯巨头、运营商、系统集成商,又有新兴的AI企业、大数据公司、VR公司等等。

各行各业的玩家纷纷入局“数字孪生城市”盛宴,承担不同的角色。向产业链下游,五大运营商以及一些系统集成商充当项目总包方;向上,阿里、华为、百度、腾讯、京东等具有云计算、通信技术等多项整合硬实力的巨头成为生态的牵头者;再往产业链更上游,安防企业则随AI创企、大数据公司、系统厂商、三维建模厂商等在各自的垂直领域各司其职,同时相互渗透。

在一片市场纷乱中,敏锐的安防企业意识到安防不再是原来的安防,安防企业也需要根据大势重新自我定位。宇视科技CEO张鹏国说:“5G+AIoT时代的安防只是‘可视化治理’的场景之一,业务和终端场景化对架构提出强劲挑战,需要强大的中台能力,包括数据中台和业务中台。”

面对“数字孪生城市”等新城市治理发展趋势,不同的安防企业有不同的打法。

海康威视的打法是以AI Cloud为核心技术框架搭建城市统一的智能感知网从而构建数字孪生城市,建立统一的城市大数据平台,对标通信巨头华为公司;大华股份则发布DAHUA GAIA大数据平台,倾力打造一张数据在线网络、一个视图智能引擎、一个智能数据引擎和一个业务使能平台,以及一套架构支撑数据在线、价值计算和业务应用。

而宇视科技的打法则略有不同,宇视科技错开与海康威视和大华股份的竞争,转而和阿里巴巴达成就“数据中台和业务中台”的“双中台战略”,以此通过出圈寻找互补的合作伙伴在“数字孪生城市”的盛宴中分一杯羹。

深耕自己擅长的垂直行业也是安防行业玩家的一种打法。例如,深耕交通行业的佳都科技的数字孪生方案把对现实世界的全息刻画和洞察应用到城市交通领域,利用自己在轨交等行业多年的经验积淀,促进各个业务系统数据互通、业务联动。

安防在这场“数字孪生城市”的盛宴中仍然扮演了主要的参与者,为数字城市蓝图的实现奠定坚实的软硬件基础,承担不可或缺的责任。

结语:“数字孪生”成智慧城市发展快车道

随着数字孪生城市概念的传播和相关项目的落地,业界对数字孪生城市的理解也出现了“仿真派”和“数据派”的不同分野。分野存在的意义不在于争议本身,而是让“数字孪生城市”事业在形式和内容、理想和现实的天平两端能保持平衡。

即便业界对“数字孪生城市”的定义仍不统一,但不可否认的是,“数字孪生城市”就是要通过城市全域数据的实时可视化,在互联网数字空间中形成物理世界的映射,从而挖掘数据的最大价值。

“数字孪生”城市作为一个“智慧城市”主题下相对完整而可感的阶段性规划目标,获得了政、商、资、学各界的支持,有望进一步促进整个智慧城市的产业链的整合,进而促进我国城市治理方式的数字化、智能化变革。

当5G及AIoT的时代滚滚洪流扑面而来,安防企业作为城市治理这片土地的原著民,仍然扮演着重要的参与者和奠基者。然而,在这片苍莽的新战场中,安防企业能否快速适应并拨得头筹,还需要根据自身的情况做出正确的战略抉择,在AI与物联网浪潮来临前“学会游泳”,形成自己不可替代的优势。

编辑:李薇

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