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2020年 | 4月25日期
团队成员
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原文/ Jonathan Reichental、Raja Kadiyala
翻译/ 朱结好、相可盈
编辑/ 众山小 校核/ 众山小
文献/ 欧阳倩倩 排版/ MC
微博 | weibo.com/
一览导读
目前,一种新型的双胞胎正陆续出现,并有助于塑造未来的城市。这种技术奇迹被称为数字孪生,旨在创建真实世界中物体的极其精确的虚拟副本。而且,数字孪生技术正应用于医疗保健和制造业等各个领域。在本期播客节目中,我们将与Human Future的创始人兼首席执行官Jonathan Reichental博士和Jacobs全球数字市场总监Raja Kadiyala博士讨论数字孪生。
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正文
数字孪生:模拟的意象
Paul Thies
欢迎来到的系列访谈。我是主持人Paul,在这一集中,当我们将与Jonathan Reichental博士和Raja Kadiyala博士讨论数字孪生。
欢迎收听的系列访谈,每期节目中我们将探索那些改变城市的奇思妙想。
Raja Kadiyala
Jonathan Reichental
Jonathan Reichental是Human Future的创始人兼首席执行官。Raja Kadiyala 博士是Jacobs Connected Enterprise中屡获殊荣的技术领导者,其30年的职业生涯遍及私营和公共部门。Jonathan Reichental博士于2017年被任命为全球前100名首席信息官,2016年,他被任命为美国前20名最具影响力的CIO之一。在第四次工业革命,城市创新,未来城市和区块链技术等新兴趋势方面,他被公认为全球领导者。他在政府方面的创新工作也获得了白宫的认可。作为数字解决方案和Jacobs Connected Enterprise的全球总监,Raja Kadiyala博士专注于智能基础架构和数字产品。他负责众多数字实践领域的技术领导力服务和解决方案产品以及市场营销,包括人工智能数字孪生,物联网和智能传感器,数据分析,模拟和优化,IT集成,实时网络控制系统,智能物理和网络安全的计量。
罗马的建立约在公元前750年左右开始。传说中这所城市的起源可以从被母狼喂养长大的双胞胎Romulus 和Remus说起。他们在与邻国间旷日持久的战争中建立了国家。毋庸置疑的是,罗马对人类历史科学工程和文化的影响是不可估量的。而在现代,一种新型的双胞胎正崭露头角,并有助于塑造被称为“数字孪生”的未来城市。这些技术奇迹试图在现实世界中创建极其精确的对象虚拟副本。而且,数字双胞胎技术的应用正在进入医疗保健和制造业等多个领域。
欢迎Jonathan Reichental博士和Raja Kadiyala博士~~
首先,我想问Jonathan一个问题。数字孪生技术在哪方面的应用给你留下了最深刻的印象?以及你认为该技术的未来发展有哪些令人兴奋之处?
谢谢提问。数字孪生技术的兴起让我印象最深的是,它从几年前没人谈论过的东西发展成现在非常引人注目的东西,且应用率令人惊讶。在制造领域,毫无疑问建造机器或复杂设备,建造智能工厂,都是使用数字孪生技术的好机会。现在,有多达30%大型制造组织正在采用这项技术,未来还将有所增加。除了制造业之外,我对医疗保健方面的一些工作很感兴趣,该技术不仅为医院创造了镜像双胞胎,还为模拟了不同的医疗网络。在人体上的应用也是令人着迷的事情,它创建一个人的器官的复制品进行模拟,再在一个真实的人上进行操作,为外科医生进行手术做好准备。第三个也是我最熟悉的是城市环境的数字孪生。当前的城市逐渐信息化,该技术可以模拟一个街区,也可以像新加坡一样模拟整个城市。他们可以做一些非常酷的事情。
我有一个同样的问题想问Raja,很显然,你在Jacobs的工作大多于建成环境有关,而且涉及到智慧城市的发展。你对当前数字孪生技术的哪些应用印象最深?以及在不久的将来它如何发展。
在整个资产生命周期中应用数字孪生技术是一个很好的例子,能以此模拟多个子方案。数字孪生从规划,设计,建造到运营贯穿整个周期。帮助我们与客户们一同坐下来,在规划初期设想方案,然后继续设计,研究成千上万种不同的设计替代方案,并进行优化,然后再返回过去修改。这一技术真正推动了一些设计,使其获得更好的性能,或者突破美学约束,然后在施工阶段将其与物联网数据整合以确保生态友好性。数字孪生技术能更好地帮助我们运营资产,确保达到安全生产标准,使设施资产的使用寿命变长,追踪使用情况,以及时采取纠正措施。
在谈论物联网以及一些与数字孪生相关的新兴技术时,我在看Gartner的一些最新研究,他们说,有24%的组织已经在生产中采用IOT解决方案,或者已经拥有IOT项目使用数字计划,大约占到四分之一。另外42%的人计划在未来三年内使用数字孪生技术。Jonathan,我对你的问题是,将数字孪生技术用于未来的城市规划时,是否越来越依赖于分布式或分散式技术,例如物联网和分布式云。
我非常同意。我认为我们正处于这一旅程的开始阶段。世界上有一些领先的城市开始部署物联网以进行交通管理和空气质量管理。它并没有那么普遍。也许期刊和媒体会让我们相信我们正在朝着正确的方向前进,或者直言这是一项仍在发展的技术。市领导层和社区之间必须就隐私问题展开对话。同样,有时在某些社区中,人们不希望看到四周有传感器。有很多事情仍需要进考虑。各种类型的传感器遍布城市基础设施,每种传感器都可以提供一定的结果。例如,就检测空气质量,甚至进行湿度检测而言,一旦数据以可管理的方式提供给城市,便会用于构建城市的一些复杂数字渲染图,并结合一些城市通常需要的空间信息。很快便能掌握从能源消耗,商品运输以及交通拥挤等方面的数据。我认为经济中的某些领域将高速数字化。随着数字孪生技术的价格变得可承担,易获得,并且城市环境中的传感器变得越来越普及,城市基础设施和智慧城市将成为真正的赢家之一。
你考虑了在环境中生成的所有数据以及如何捕获这些数据,这真让人着迷。建立像人类解剖学这样的封闭系统的数字孪生是一回事,这是小规模的实验。但是,想请问Raja,构建数字孪生在不同尺度上的挑战是什么,以及如何克服这些挑战。在我看来,要构建城市尺度内的数字孪生,要比一个街区,一个建筑物或一层楼难得多。你如何克服诸如城市景观尺度上的挑战?
当开始一幢大楼,一个街区,或整个市区范围甚至一个区域范围内的项目时,获取数据的难度是随着尺度变化的。大约两年前,我们询问了许多客户,在实施数字孪生技术和AI技术方面,你们面临的最大挑战是什么?100%的受访者认为令人困扰的首要问题是数据质量阻碍了他们真正实施其中一些解决方案的能力。因此,数据管理对他们来说是非常重要的问题。我们刚刚讨论到物联网,它在尽可能地接近数据源的位置进行数据验证。这是非常重要的,或者目前正在为客户做些努力,一旦我们开始查看他们的历史数据和来自传感器的数据。很多都是不完整的,所以我们需要使用AI模型进行数据填充,再建立数字孪生模型或实时模型,并为提供适当的响应,使其不会因传感器采集的数值不合适而漂移太远。数据质量无疑将是一个挑战。要确保具有适当的数据管理能力并确保你正在进行基于数据的验证,避免关于无效数据的决策,还需拥有对本地数据的所有权。目前许多数字孪生模型是以小范围模块化的形式构建的,不同的人拥有不同的部分。你必须弄清楚每部分是如何得出的,并在更大范围内一起自己将它们累加起来。如此看来,大尺度的数字孪生真的会令人生畏。
数据确实正在成为某种货币,我可以看到组织显然在做一些交易工作,它们在共享数据以建立训练AI的数据集。当你出于隐私考虑而折衷时,例如在欧洲的GDPR,确实会引起一些有趣的问题。如捕获到的数据如何声明所有权并被共享。Jonathan,想请问你,无论你如何使用数字孪生技术,都存在某些通用的管理方法吗?抑或针对不同领域有量身定制的方法,例如医疗保健和城市规划有不同的挑战。你能和我们谈谈数字孪生的管理方法论以及你如何看待它吗?
特定领域需要的安全系数与应用数字孪生技术时需要考虑的是相同的。因此在医疗保健领域,这可能是我们最需要进行数据监管的领域之一,同样的规则也适用数字孪生技术。我想到了以下差别:第一件事是我认为我们尚不处在需要考虑应用什么物联网设备的阶段,而需考虑数字孪生技术使用的数据本身。由于数据泄露或检查数据更改,或者正如Raja所说的,甚至将不良数据输入系统,都会产生许多差异和挑战。处理混乱的数据毫无价值。从设备的数据到数字双胞胎的源与流之间有很多差异。因此,我认为我们不仅必须在数字孪生中对IT技术进行深入思考,考虑越来越多的相互连接的设备。还需要承担网络安全的风险。当涉及到真正敏感的数据时,必须反复确认这些数据的有效性。这是我考虑的一些关键点。我要说的最后一点是,生态系统中应用数字孪生的好处之一是,他们的参与者很多,可能是工程师,供应商和其他管理利益相关者,同时可以引入了外部利益相关者,例如可能与你合作或设计或合作的供应商在物理设备或数字副本的操作过程中监视数据。因此,由于利益相关者群体的多样性,我认为在确保只有合适的人在正确的时间可以访问数据的前提下,这便与其他领域没有太大的不同。但我们需要确保对此投入适当的注意力。
Raja,在这一点上,基于你和Jacobs在建筑环境工程和施工方面的经验,你认为要如何缓解数字孪生应用在建筑和城市规划领域所带来的数据隐私泄露的网络安全问题?
这个问题分为两个部分。首先,数据匿名化非常关键,要确保合理地收集我们收集的数据,并且你不能从该数据中推断出特定对象的其他信息。我们看到越来越多的客户在该过程中迈出了重要的一步。然后你需要进行全盘考虑,因为你可能正在处理一个数据,然后将其适当地匿名化,这是很好的。但如果你今后不道德地使用它或将它与其他不明来源的数据集合并在一起,那就会使某人能够从你的数据集跳到其他的数据集,以推断有关对象的个人信息。因此,越来越多的客户开始关注网络安全,关注控制系统及其管理方式。需确保对他们进行适当的培训,确保对易受攻击的工程进行维护,而这些攻击实际上往往最终成为入侵的主要因素之一。例如员工误以为在与某个有授权的人交谈,然后公开允许该人访问信息。所以确保对员工进行了适当的培训是很重要的。因此我们与客户进行大量合作或模拟受到攻击时的环境以确保他们能做出回应,并采取适当的补救措施以尽快恢复。
Jonathan,你觉得对于想要运用数字孪生的不同群体来说,区块链作为一种可以满足他们跨系统分享数据的技术,是否会变得越来越有吸引力?
有可能会。目前还没有显现出来,但这听起来似乎是一个不错的区块链的用例。我们还在试着搞清楚区块链在企业可以起到什么作用。区块链在一些领域已经得到了很快的应用,但在其他领域它的使用还是试验性的。当说到透明度、完整性的时候,在区块链中我们讲的是溯源和可追溯性的概念。溯源意味着你可以追踪一项交易或者追溯某件物品状态的源头,它可以告诉你这样物品或者这次交易的来龙去脉。如果在某种情境下这些信息能对你有用,那么你或许已经有可以尝试区块链的地方了。我想我最好在见到一些试验结果后再对此作出评价。我对区块链技术是很有信心的,因为它使商家能用传统的数据库所难以实现的方式来交易有价值的物品。我们会看到的,时间会证明一切。如果你深入研究一下会发现许多领先的数字孪生供应商正在讨论这个话题。我猜测他们还处在开发产品以获取消费者评价的阶段。我想明后年我们将看到它的实际应用,到那时我或许能够更好地回答这个问题。如果你或Raja可以分享一些例子那也是很棒的。
我们有这样一些客户,他们拥有的资产有多人可以接触到,这样的客户可以用区块链管理资产。拿铁路车辆作为例子,它可能为个体所拥有,但同时也有其他人负责它的维护、装货。在这种情况下,当铁路车辆在各地运行的时候,会有许多人对这项资产进行接触。那么搞清楚整个过程中资产的状况、确保一切都在一个共享的可靠环境里运作是很重要的。在这种情境下区块链技术是很有用的。你之前提到了Gartner,如果你考虑一下区块链的技术成熟度曲线,它目前正处于泡沫化的底谷期。一开始它处在过高期望的峰值,大家都觉得它会是一项最伟大的技术。而当区块链被投入应用,受到了现实的冲击,大家会开始对它进行修正或者改变它的应用方式,然后区块链技术就有了更稳定的机制。当它进入稳定应用的高峰期,我们拥有的客户也更多了。
稍微转换一下话题,让我们来讨论数字孪生在环境影响方面的应用前景。我注意到2019年高盛发布了一份关于城市的报告,其中指出世界人口的55%都居住在城市中,而联合国认为到2050年这个百分比将上升至68%。这相当于将有超过67亿人住在城市里,与此同时城市贡献了全球80%的GDP,消耗了世界上75%的自然资源,可见城市的重要性。由此引出的这个问题想问一下Raja:我们都知道Jacobs为缓解城市与城市规划所面临的环境挑战作了许多工作,你觉得数字孪生是否可以成为帮助城市应对气候变化挑战的工具?还有一个问题,希望你和Jonathan都回答一下:在运用数字孪生应对环境挑战这方面,有没有哪个城市目前处于比较领先的水平?
其实我们在洪水模拟方面已经具备了很强的能力,我们可以运用这种能力来开发海平面上升潜在影响的数字孪生。我们展示过一个有趣的增强现实(AR)应用程序。这个程序可以让你置身于一个特定区域,然后显示洪水会给这个区域带来的潜在影响,你可以看到水位将在这个区域升到多高。这对房主们来说是很棒的,同时对保险机构来说也是,因为它可以帮助他们为客户决定潜在风险因素。我们有个名为Replica的平台,通过它我们可以在数据和过程的基础上快速地建立数字孪生。我们天天用那些来协助我们客户继续他们的工作。我刚去了新加坡,他们运用数字孪生在韧性城市方面做了一些了不起的工作。Jonathan之前提到过了一些他们对数字孪生的运用。新加坡是个非常平坦的地方,整个国家的最大高程为海平面以上150米,这可以对他们的生产设备产生巨大的潜在影响。数字孪生使得他们可以更好地理解所面临的的挑战,并提供不同的设计方案让他们选择来解决困难。这是一个很好的数字孪生的用例。
Jonathan,在其他面临可持续及气候变化挑战的地方有没有什么值得借鉴的数字孪生的运用实例?
在将假设情景可视化方面已经许多成果了,但我认为它们还不能完全符合数字孪生的真正定义。这些传感器确实可以获取实时数据,但你想想,许多工具都具备这两种互相重合的特征。三维GIS技术和用数字孪生构建未来图景之间就有许多重合。全球范围内,充分应用数字孪生技术全功能特征的城市非常非常少,但在部分城市,那些面临着海平面上升或者其他像龙卷风、飓风以及其他气候变化灾害的城市,这项技术的应用很广泛。他们或许会使用遗留数据并输入你的三维可视化工具,你可以从不同的角度进行交叉分析,然后输入不同的数据看看在这样的场景和那样的场景中发生的情况有什么不同。因此我的回答有些复杂:如果想把运用类似三维GIS技术的地方都算进去,美国、欧洲还有其他一些地方确实在广泛地使用它们,但是就新加坡还有印度的一些城市使用的那种最纯粹的数字孪生而言,运用它的地方还只是很小的一部分,而且才刚开始增长。不过我觉得我们将会迎来转变,特别是当环境中有更多的实时探测器之后,我们就可以获取城市在一天中任何时间的真实、实时的数据了。
我边听你说边在思考,你觉得未来会不会有一天——也有可能这已经发生了——在那些本来不存在城市的地区,我们的政府开始使用现有城市的数字孪生来为建造新的城市建模?不一定是对已经存在的城市景观使用数字孪生和AI,而是基于对现存城市的学习来建造一些全新的东西?我听说中国已经开始考虑在以前没有城市的地方建造由AI设计的城市。我们未来会不会见到在现有城市的数字孪生指导下建设的新城市环境?
我对此不太了解,但这并不意味着它还未发生。这是一个值得研究的不错的话题。我想回到三维GIS与成熟的数字孪生之间的差异上来。我不了解现在世界上有没有任何利用三维GIS技术建造全新城市的项目在进行当中。我可以想象为了它的实现将会用到一些很酷的技术。我倒确实是想提一下,或者说是分享衍生式设计这个理念。无论是三维打印技术还是数字孪生,他们目前都具备这样一种特征,即你不必知道你想要的设计的最终形态是怎样的,只需要输入你对它的期望、你希望置身的情境,然后基于你设定的标准,数字孪生技术中的AI技术将提供多种设计,最终人与AI一起从这些设计中进行选择。我觉得这对制造汽车、机器、风力发电机、引擎来说是很棒很有用的。试想如果将其用于建造未来城市,我们可以输入一些标准,比如针对使用某种基础设施的人数设定一个范围,然后通过衍生式设计,计算机会有效地提供设计结果供我们选择。我觉得这将是很有趣的。
你在和客户的往来中有见到过这样的例子吗?有没有在新型城市规划中对数字孪生的衍生式设计进行探索的例子?
我想深入探讨的是合成数据生成这个概念。当讨论用AI和算法进行自动化设计和衍生式设计时,你必须明白这些算法是需要训练的,因此在神经网络中用标号数据集对算法进行训练是很重要的。我们正在运用数字孪生和第一性原理方面的领域知识来弄清楚如何将其纳入数字孪生技术,然后将它运用于一些不同的情景,而这个过程可以生成所谓的合成数据。因此,这种数据并不一定来源于一个模拟环境中的特定物理元素,但我们可以将一些结果纳入合成数据,形成标号数据集,而训练神经网络系统需要的正是这些标号数据集。这使得我们可以加速进行AI算法训练,以便获取包含部分领域知识和部分在其他城市中的过去经验的系统,然后我们就可以设计下一轮迭代。出于更好地聚合AI算法这个目的,我们看到在用数字孪生生成合成数据以驱动AI算法方面已经有越来越多的运用。
下一个问题希望二位都能回答。Jonathan,我们从你开始。你觉得在未来3到5年内,像虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)这类多元体验技术将如何影响数字孪生的创造和运行?
我认为多元体验将是数字孪生最有影响力的特征。把它与AI结合将在未来几年内给我们带来巨大的优势。让我们把设计一件产品作为一个简单的例子。产品生命周期管理过程一般始于这个产品的外观和性能。考虑一下我们生活的这个世界,如今我们想象某样东西在新环境中的样子的能力已经变得越来越强了。几年前,你还得靠制作一个原型来搞清楚这个产品看起来、摸起来会是怎样的,而现在我们模拟新物件置于物理环境中的能力越来越强了,我们可以看到它的外形、了解它如何能更好地融入并弄清楚数据流是怎样的。现在,让我们更进一步,假设你是一位工程师、设计师或者是终端用户,让自己沉浸在虚拟环境中,拿起这件产品,将它旋转或是从不同的角度观察它,任意地放大缩小,当然你还可以看到在不同条件下的模拟情况。这将使设计师以及其他参与产品、机器外观和性能设计者的能力得到极大提升。在数字孪生中将不同现实与人工智能相结合的最终成果将是更高质量的产品以及更好的终端用户体验。我觉得它们所蕴含的潜力以及数字孪生将带来的发展是非常巨大的,这是十分激动人心的事情。对我来说,在未来的几年里这就是数字孪生最突出的特点,也是最令人激动的进展和最值得体验的事情。
Gartner刚发布了2020年十大战略科技发展趋势,其中一项是多元体验技术。同样的问题想问一下Raja:你觉得在不远的未来类似虚拟现实和增强现实这类多元体验技术的进步将如何影响数字孪生的发展?
我们现在已经开始运用一些虚拟现实(VR)技术了,但目前主要还停留在视觉体验。我相信在未来的3到5年内,会有其他感官元素加入到虚拟现实体验中去。比如会有触觉反馈,这意味着我不仅能够看到某件物品,当我看见它时,我还能触摸它并且从其他设备上得到触觉、听觉以及环境反馈。虚拟现实(VR)被大量应用于环境健康安全方面。训练工作人员进入有害的环境需要确保提供真实的情境,让他们清楚自己面对的是什么,因此虚拟现实中可以加入温度、适度等等这类元素,在提供视觉反馈的基础上添加触觉反馈。因此我觉得虚拟现实将在未来有所发展,延伸至增强现实和混合现实。而数字孪生的加入可以在可视化中加入数字化元素,这是至关重要的。之前提到了在洪水模拟方面应用数字孪生的例子,河水上涨或者类似情况发生时传感器能够采集数据,基于这些数据建模然后叠加到图像上。如果将这样的技术延伸至混合现实,那么在预测的时候,数字化物体会出现在增强现实环境中并产生交互。这是在混合现实方面的一种应用。
Paul, 如果你不介意的话我想再加两个例子。第一个是关于我们之前提到的医疗保健方面。想象一下一台非常复杂的脑壳或者其他类型的外科手术正在进行中。整个医疗队可以在接触病人之前先虚拟环境中对手术进行多次联系。在这个例子中你可以看到为什么这种融合的技术会是非常有用的。第二个例子是关于城市的。想象一个高密度的城市环境,其中有一块区域曾经是停车场,而现在需要将其改建成一栋65层的建筑物。作为一名建筑师,你需要考虑许多事情,其中之一是阴影:一天之中不同时刻太阳的升落将产生怎样的影响,同时阴影会如何影响城市环境的感觉和体验。从去年开始,我们已经掌握一些非常出色的技术,就是将数字孪生与人工智能相结合,由此产生的新型现实将有助于我们对城市体验相关的决策作出更好的判断,因为现在我们真的能够亲身体验在这种情境下站在街上的感觉,而这种体验在砌起这栋建筑的第一块砖头的若干年前就可以实现了。这对于我们来说会是一种非同寻常的人类经验。
它确实会使你能够考虑更多的情境、拥有更多不同的选择,远远超出过去所能实现的。回到我们能够接触整个资产生命周期管理这一点上来。Jonathan刚才谈到的是规划方面,在进入更细节的设计之前,我们就了解特定建筑物将如何影响周边区域或者街区。伦敦有很高很巨大的建筑物,因此需要在规划阶段就搞清楚这样的建筑物的投影是怎样的,并对不同的情境进行考量,然后再进入设计、建设和运行环节。整个生命周期的数字孪生让我们得以对这么多的事情同时进行考量,而这在过去是不可能实现的,因为我们没有那么多的人力来做到如此。
感谢Jonathan和Raja参与有关数字孪生的讨论。这是一项非常引人注目的技术。我能够想象未来它在城市发展、医疗保健、制造等等许多不同的领域都将继续发挥重要的作用,甚至在一些现在还未使用这项技术的领域,将来它或许也能大显身手。感谢二位与我们分享精彩的见解。
END
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