史上首届“数字孪生”冬奥会—在冬奥会打造“第二个冬奥”

【智能装备网讯】


　　万万没想到，这届北京冬奥会不仅火了冰雪运动员谷爱凌、吉祥物“冰墩墩”，还火了“数字孪生”这一贯穿冬奥会各个场馆台前幕后的“黑科技”。                 　　数字孪生（Digital Twin）也称数字双胞胎，顾名思义，就是根据真实世界再创一个与之1：1映射的数字虚拟世界，让人们在其中去预演真实世界，控制真实世界。在本届冬奥会中，从谷爱凌飞跃的大跳台到开幕闭幕场馆“鸟巢”，甚至是背后的电力运维系统，无一不用到了这一听起来和“元宇宙”一样神秘的技术方案。　　这就好比是，在冬奥会打造“第二个冬奥”。　　1月19日，北京冬奥组委发布公告称，冬奥会“场馆仿真系统”名列奥运经济遗产分册中“科技冬奥”板块第三类首位。该系统正是基于数字孪生模型，奥林匹克广播服务公司（OBS）主席雅尼斯先生称其为“拥抱未来的技术”。　▲国家速滑馆数字孪生操作系统界面　　实际上，源于工业领域的数字孪生技术在过去几年里已经风靡起来，在中国各大城市、无数园区中如雨后春笋般落地实践，无论是天津滨海的数字孪生城市，还是北京通州的数字孪生小镇，或是湖北三峡的水坝运维，都已经用上了“数字孪生”技术。　　冬奥会数字孪生方案可以说是数字孪生城市技术在体育场馆这一细分领域的集中爆发。　　再看看产业，我们看到包括华为、阿里、腾讯、英特尔、京东、百度等在内的科技巨头全都深度入局，以及众多像泰瑞数创、51World、优锘科技这样的创企也已赚得盆满钵满。去年以来，一股“元宇宙”的热风更把数字孪生这一背后核心技术吹得热火朝天，吸引资本纷纷入局。　　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：“（数字孪生城市）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。”　　从今年冬奥会来看，数字孪生技术引领世界潮流的一天似乎已经要来了。　　01 史上首届“数字孪生”冬奥会　　对于奥运赛事转播商OBS来说，为了在冬奥会中让电视机前的观众看到冰雪赛事的最佳角度，他们往往需要提前亲自前往现场，进场馆、爬雪山进行查勘，拿相机模拟拍摄切播。　　然而今年，受疫情影响难以及时到场，许多在国外的OBS同事转而找到了一个新办法——通过一个在电脑桌面上虚拟的数字孪生场馆，他们就远程模拟了镜头的点位、参数及切播顺序，进而在真实场景中直接应用。▲通过数字孪生场馆系统进行转播方案设计　　如果说今年冬奥会是一场科技冬奥，那么“含科量”最高的一定可以算上这一“黑科技”——数字孪生。　　一般认为，数字孪生（Digital Twin）概念在2011年首次被美国空军研究实验室提出，并被美国通用电气、德国西门子等企业用于工业领域。近年来，数字孪生被我国引入到智慧城市、园区等领域——通过构建一个信息维度上的城市/园区，让两者像一对双胞胎一样共同存在，从而操控真实场所。数字孪生这一近年在国内兴起的技术，在本届冬奥会的多个场景中可以说“全面开花”。　　让我们先看向冬奥会开幕、闭幕的场馆鸟巢，一个复刻鸟巢的“数字孪生操作系统”在仪式期间动态采集设备的运行情况、环境变化、人流聚集疏散情况。　　其实，在表演创排阶段，数字孪生系统已经起到了作用。比如，开幕式第一个节目《立春》，如何让近400名演员同时挥舞发光棒互不干扰就是一个难题，而这些都是通过数字孪生仿真技术模拟实际效果，进而实现的。▲冬奥会开幕式中的《立春》　　再看看冬奥会赛事现场，在12个冬奥会竞赛场馆、3个奥运村、冬奥会主媒体中心和北京冬奥组委等多个场所，一个名为VSS的数字孪生场馆模拟仿真系统正在运转工作。该系统由英特尔联合北京电影学院、视伴科技等机构打造。　　据悉，基于该系统，奥组委可以远程对场馆内的设置提出修改意见，减少实地勘查的时间成本与疫情防控风险；奥运转播团队可以直接通过模拟拍摄角度选择合适的机位；冬奥会运动员们无需来到现场就能选择自己心仪的房间，提前看现场，甚至模拟训练……▲通过数字孪生场馆系统远程提前看赛场　　英特尔技术专家告诉我们，即将播出的冰球比赛颁奖就用到了这套数字孪生系统。冰球颁奖需要一个个团队逐一上场，志愿者、颁奖人员及现场的流程、音乐等调度工作复杂。为了颁奖现场顺利推进，组委会通过数字孪生系统用几支模拟队伍及其他模拟要素进行了模拟彩排，从而大大节省了彩排时间和次数。　　赛事研判、选手训练等场景可能也用到了数字孪生技术。根据中国信通院发布的《数字孪生城市优秀案例汇编（2021年）》，其中第一个典型案例就是来自51World公司的“雪场赛道数字孪生分析系统”。　　按照报告描述，当滑雪运动员从陡峭的赛道上跃起，多个传感器已实时捕捉他的运行轨迹，并把数据上传到后台的雪场赛道数字孪生分析系统中，进而进行数据分析、辅助赛事研判、模拟转播等。　　数字孪生更渗透进冬奥场馆的深度运维中，根据主流媒体报道，在本次冬奥会三个赛区的数十座场馆里的电力调配，正是由一个数字孪生电力“智慧大脑”掌控。这是北京优锘科技公司助力国家电网北京电力建设的电力运行保障指挥平台，是奥运史上首次电力业务领域实现数字化、智能化的全景监视。▲数字孪生电力“智慧大脑”界面　　从前台开幕式、赛事，到后台的场馆管控、基础设施运维，数字孪生技术已经渗透到了冬奥会的各个环节。背后，这些系统又是如何运作的？有什么样的技术逻辑？我们和行业技术专家们聊了聊。　　02 冬奥会场馆的“数字孪生”是如何实现的？　　冬奥会的数字孪生场馆系统是如何运作的？　　一位深度参与VSS系统的英特尔技术专家告诉我们，拿“大跳台”模拟转播来说，导播团队的操作可以大致分为以下几步：　　1.将操作界面接入大跳台的数字孪生系统中。　　2.把数字孪生系统中的摄像机挪动到合适的位置，同时把摄像机的参数调到适合的焦距、光圈等。　　3.各机位模拟完后，从各个俯视图、正视图去看它拍摄的角度画面。　　4.最后输出一个汇聚各个切播镜头的视频，模拟出来后在真实应用中去复制方案。　　可以看到，这是一个通过数字孪生实现线上线下远程协作的典型应用。那么背后的数字孪生系统又是如何建成的？　　在解答这个问题前，让我们先来总结下这些数字孪生系统有什么样的共性。实际上，尽管数字孪生技术被应用到了赛场、开幕式、电力运维等各个方面，但作为数字孪生城市在细分领域的落地，理论上它们的功能不外乎以下四个：　　1.模拟仿真。对现实场景进行线上复制，支持线上模拟预演等动作。　　2.全息动态感知。数据集中在一个平台并实现可视化，并尽量实时动态更新。　　3.实时诊断。通过AI等技术对采集数据的结构化分析，该系统支持实时报警、诊断事件因果等功能。　　4.决策建议。通过知识图谱等技术，该系统能够根据模拟现实世界情况给出措施建议。　　总的来说，在这四个功能中，模拟仿真是基本上所有数字孪生系统标配的功能，而后三者则是在此基础上的叠加。　　搭建一个具备基本功能的数字孪生系统需要哪些步骤？结合业内人士的解读，我们可以将实现数字孪生简单分为三步：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。　　英特尔技术专家告诉我们，冬奥会是一个非常大的平台，验证了数字孪生技术的应用价值。过去，人们都是在“一张平面图”上（对奥运赛事）进行规划，现在，人们是在“一张立体图上”规划，以此促进了24小时多人远程无纸化互动，同时还支持数字化资产的传承和转移。　　实际上，从“一张平面图”到“一张立体图”的转变背后，更深层次的意义是通过全域数据的实时可视化，挖掘数据的最大价值。　　而这，其实是一场在中国智慧城市产业中长达五年的技术试验成果在一次国际性展会中的大检阅。　　03 五年“数字孪生城市”技术大爆发　　业内人士告诉我们，本次冬奥会各大场馆中涌现出的不同数字孪生系统，是既有数字孪生城市技术积淀实力的一次集中爆发。　　“数字孪生城市”的提法应该是在2017年前后起于数字雄安新区项目。雄安新区是万众期待的“数字之都”，随着雄安打响“数字孪生城市”建设的第一枪，近几年来，数字孪生城市在城市综合治理等大场景中陆续试点，在许多园区、校园等中小型场景中已经实现了规模性突破，这才为其在本届冬奥会中发挥作用奠定了基础。　　2021年以来我国进入“十四五”时期，数字孪生城市先被写进《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，而后2021年12月，国务院印发《“十四五”数字经济发展规划》，首次明确提出“提升城市综合管理服务能力……因地制宜构建数字孪生城市。”　　数字孪生城市建设在国家层面定调，是对过去几年来数字孪生城市建设总结升华。　　最早在2018年11月，住建部选择通州、广州、南京、厦门、雄安为首批5个CIM（城市信息模型平台）试点，由此拉开了数字孪生城市建设的序幕。　　CIM是一个具有城市语义信息的“三维模型”。数字孪生城市与智慧城市可以说共用基本技术架构，但最大的区别是为其加了一个CIM底座，它需要基于新型测绘、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。　　2020年10月，住建部又再次组织在重庆、太原、南京等16个城市开展“新城建”试点，其中CIM平台建设是试点的必选内容之一。　　2021年6月，住建部经过梳理各地CIM基础平台建设发现，个别地区对于“什么是CIM基础平台”存在认识不一、模糊不清等问题，因此，印发《城市信息模型（CIM）基础平台技术导则》，首次明确回答了“什么是CIM基础平台”这一基础问题。　　进入2021年，CIM这一新物种已经在全国上下遍地开花。根据中国信通院报告，全国CIM相关标数从2018年的2项增长至20221年（截至10月底）的149项，增长率超200%，远大于智慧城市增速，总费用超过30亿元。　　而全国的数字孪生案例，已经涌现出了济南泉域四维地质环境可视化信息系统平台、成宜智慧高速数字孪生应用场景、天津滨海数字孪生城市、广州“穗智管”城市运行管理中枢项目等多个知名的城市数字孪生标杆项目。　　04 智慧城市的“升维赛道”，创企与巨头共舞　　前面提到，由于仅仅是在智慧城市的框架上增加了一个CIM底座，数字孪生城市也基本沿用了智慧城市的技术架构。这里，我们可以带着不太了解智慧城市基本技术架构的读者看看：　　● 首先，在底层的ICT架构方面，数字孪生城市与智慧城市共用一整套云、边、网、端基础设施架构；　　● 然后往上，是城市数据平台，类似京东城市操作系统、华为“沃土”数字平台、浪潮数字城市底座等，将所有场景的数据汇聚到一个平台中。数字孪生城市要求在这一层面汇聚更多的时空数据、高精地图信息、运行数据等，可能将数据量大大扩展。　　● 最后是最上面的应用层，常见的包括城市大脑、运营智慧中心、交通指挥中心等，数字孪生城市可能会增加更多仿真模拟推演等应用。　　数字孪生城市与智慧城市在技术架构上基本沿用，也意味着在产业链上也基本重合，覆盖了包括网络运营商、系统集成商、ICT企业、云服务商等多层玩家。　　当下，可以看到我们熟知的科技巨头都已经大力布局数字孪生城市。　　除了本次冬奥会中推动数字孪生场馆系统的英特尔，比如阿里的杨浦区城运中心“一网统管”项目、阿里云智慧水利数字孪生应用场景都已经成为业内的标杆项目；腾讯与重庆市住建委联合发布的微瓴智能建造平台，已接入108个项目试点，建立了基于CIM的智能建造“一张图”……这些都是巨头们深度入局的佐证。　　与此同时，一些体量不大的空间视觉类企业也凭借突出的创新能力，获得与大型数字孪生项目合作的机会。包括泰瑞数创、51World、北京数字冰雹、优锘科技等都推出了自己的“拳头”数字孪生平台或产品，直接或间接参与本次冬奥会的数字孪生方案。　　数字孪生城市依赖智慧城市中的ICT、城市数据平台等基础设施，这也意味着三大运营商、华为、阿里、腾讯、英特尔这样的科技巨头依然占据着主导地位。与此同时，空间视觉、数据智能领域的创企由于具有更加聚焦的创新能力，也出现在各大项目背后，赚得盆满钵满。　　一方面，新玩家依赖科技巨头建好的“一张蓝图”，另一方面，“一张立体图”带来的新要求也不仅仅是二维视觉变三维视觉，而是对全域数据的收集、汇聚和处理应用能力，以及更加综合全面的城市治理能力。　　当下，数字孪生的发展也面临一些挑战。英特尔技术专家告诉我们，数字孪生方案会带来很多数字资产，数字资产保护可能面临挑战。同时，随着我们将数字孪生系统进行“上云”，数字孪生方案需要传输、计算能力，以及边缘计算节点、前端网络设备蓬勃发展，同时需要硬件、编解码能力提高，从而实现更加流畅的数字孪生体验。　　总的来看，数字孪生城市产业是一个生长在智慧城市产业链上的“升维”赛场，需要端、边、网、云、芯等多个环节的玩家合力，共同挖掘出现实世界数据的更大价值。　　05 冬奥会印证数字孪生技术的长期价值　　本届冬奥会已经在不经意间成为了一场中国科技博览会，包括数字孪生、云转播、机器人等众多“黑科技”都扛起大梁。不过，这些技术大多并不是为了大会赶工而来，而是中国科技发展到一定程度，在一场盛会上自然而然地落地展现。　　“数字孪生”可以说是本届冬奥会中“含科量”最高的技术之一，实际上，它并不是单纯的一个模拟仿真技术，而是融合了云计算、大数据、人工智能、VR等多种技术的综合体，使命则是将更多的数据价值发掘出来。　　这些“黑科技”不仅为冬奥会带来真实便利，随着被更多人了解，它们也有望在今后被更多领域被复用。



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