前面我們已經(jīng)介紹了數(shù)字孿生的技術(shù)體系和關鍵技術(shù)，這回我們介紹數(shù)字孿生的應用領域。
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數(shù)字孿生是一個普遍性適用的理論技術(shù)體系，可以用于產(chǎn)品設計、產(chǎn)品制造、工程建設、城市管理、醫(yī)療服務等領域。數(shù)字孿生是實際物理產(chǎn)品的數(shù)字化表達，在設計與生產(chǎn)的過程中，仿真分析模型的參數(shù)，傳輸?shù)疆a(chǎn)品定義的全三維幾何模型，再傳輸?shù)綌?shù)字化生產(chǎn)線加工成真實的物理產(chǎn)品，再通過在線的數(shù)字化檢驗/測量系統(tǒng)反映到產(chǎn)品定義模型中，進而再反饋到仿真分析模型中。通過數(shù)字化紐帶集成生命周期全過程的模型，并與實際智能制造系統(tǒng)、數(shù)字化測量檢測系統(tǒng)、嵌入式信息物理融合系統(tǒng)（CPS）進行無縫集成和同步，使得我們可以在這個數(shù)字化產(chǎn)品上看到實際物理產(chǎn)品可能會發(fā)生的狀況。
IBM在2008年11月提出了“智慧地球”理念，引發(fā)了建設智慧城市的熱潮，數(shù)字化、網(wǎng)絡化及智能化被公認為是未來社會發(fā)展的大趨勢，近些年來，一些國家也紛紛開始將數(shù)字孿生應用在智慧城市的建設中來。
中國以“智慧城市”和“新基建”為代表的建設模式雖然起步較晚，但暴發(fā)速度前所未有。目前全球近1000個提出智慧化發(fā)展的城市中，有近500個中國城市，占全球數(shù)量的48%。這為中國下一階段的城市和基礎設施發(fā)展奠定了基礎。2019年中國新型智慧城市規(guī)模超過9000億元，未來幾年將保持較快速度增長，預計到2023年市場規(guī)模將超過1.3萬億元。當前，安全綜治、智慧園區(qū)、智慧交通是智慧城市建設投入的重點，三大細分場景規(guī)模占智慧城市建設總規(guī)模的71%，而城市級平臺、機器人等新技術(shù)和產(chǎn)品則在快速落地，被更多城市建設方采納和應用。
圖.中國城市智慧化細分市場占比（單位：%）
近年的數(shù)字孿生城市的構(gòu)建，更是引發(fā)城市智能化管理和服務的顛覆性創(chuàng)新。新加坡利用仿真系統(tǒng)CityScope, 為城市管理搭建了“5D智能城市平臺”，基于此平臺，基礎設施開發(fā)過程可以實現(xiàn)數(shù)字化，實現(xiàn)對城市的仿真優(yōu)化、規(guī)劃決策等功能以及城市的數(shù)字化全生命周期管理; 荷蘭第二大城市鹿特丹利用該市的數(shù)字孿生系統(tǒng)，來改善基礎設施維護、能源效率、道路和水上交通，以及幫助消防員在緊急情況下出行任務；西班牙在城市里廣泛部署傳感器，感知城市環(huán)境、交通、水利等運行情況，將數(shù)據(jù)匯聚到智慧城市平臺中，初步形成數(shù)字孿生城市的雛形等等。
而在國內(nèi)，數(shù)字孿生已在智慧城市建設中有較多落地應用。比如，雄安新區(qū)融合地下給水管、再生水管、熱水管、電力通信纜線等12種市政管線的城市地下綜合管廊數(shù)字孿生體讓人驚艷；江西鷹潭“數(shù)字孿生城市”榮獲巴塞羅那全球智慧城市大會全球智慧城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型獎。
基于數(shù)字孿生五維模型可以構(gòu)建數(shù)字孿生城市，通過數(shù)字化建模建立物理城市相對應的虛擬模型，虛擬城市可模擬城市中人、物、事、交通、環(huán)境等全方位事物在真實環(huán)境下的行為。基于在城市各個層面布設傳感器采集物理城市的實時數(shù)據(jù)，將虛擬城市的仿真數(shù)據(jù)和城市傳感數(shù)據(jù)結(jié)合，驅(qū)動數(shù)字孿生城市的發(fā)展和優(yōu)化，最終實現(xiàn)為城市交通管理、城市生態(tài)與環(huán)境治理、城市公共安全、城市民生服務、市政規(guī)劃提供智慧服務。
在2019年，RayData攜手騰訊與上海靜安區(qū)政府共同建設一個全聯(lián)接、全場景、全智能的“數(shù)字靜安”，實現(xiàn)不同政務部門的深度融合，創(chuàng)新和重塑傳統(tǒng)的管理模式、業(yè)務模式和運作規(guī)則。
“靜安政務大腦”是一個圍繞城市的三大基礎要素：人口、法人和土地，將政府豐富的治理經(jīng)驗與龐大的政務數(shù)據(jù)、社會數(shù)據(jù)相結(jié)合的平臺型人工智能中樞。目前可提供智能人口預測、智能規(guī)劃、智能營商、智能監(jiān)管和智能區(qū)情等五大基礎能力輸出，已為11個政府部門提供了23個應用場景的支持。
阿里云研究中心發(fā)布的《城市大腦探索“數(shù)字孿生城市”白皮書》中提出通過建立數(shù)字孿生城市，以云計算與大數(shù)據(jù)平臺為基礎，借助物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)手段，實現(xiàn)城市運行的生命體征感知、公共資源配置、宏觀決策智慧、時間預測預警等，賦予城市“大腦”。阿里云提出的城市大腦與數(shù)字孿生城市建設的思路基本吻合，它通過實時處理多源的超大規(guī)模全量數(shù)據(jù)，基于機器學習洞悉其中隱含的復雜規(guī)律，能夠制定超越人類局部次優(yōu)決策的全局最優(yōu)決策，并且在城市交通體檢、城市警情監(jiān)控、城市交通微控、城市特種車輛、城市戰(zhàn)略規(guī)劃這5個應用場景中部署實施。
依托于“1134”基礎設施，統(tǒng)一城市數(shù)據(jù)資源平臺，一體化信號燈控制，三大數(shù)據(jù)源（高德互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，路面物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，路面視頻數(shù)據(jù)），四種視頻服務（天曜、天鷹、天機、天擎）。目前已經(jīng)幫助國內(nèi)蘇州、杭州等多個城市地區(qū)完成向新一代數(shù)字孿生城市的轉(zhuǎn)型升級，各地交通部門因“數(shù)”制宜，在城市數(shù)據(jù)資源平臺上，與機器智能并肩作戰(zhàn)，日日夜夜運營著一張有溫度的城市交通協(xié)同網(wǎng)。證明數(shù)字孿生城市可以推動城市設計和建設，輔助城市管理，使城市生活和環(huán)境更加美好。
智慧醫(yī)療保健是數(shù)字孿生智能化應用的重要組成部分。通過移動監(jiān)測、移動診室、無線遠程會診、智慧處方、醫(yī)療信息云存儲等智能技術(shù)手段，可提升城市診療覆蓋面與效率，促進城市醫(yī)療資源的合理化分配。進一步利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建“電子醫(yī)療”服務體系，實現(xiàn)醫(yī)療監(jiān)護設備的小型化、無線化、發(fā)展智慧家庭健康保健、智能健康監(jiān)護，可大幅降低城市公眾醫(yī)療負擔，緩解城市醫(yī)療資源緊缺的壓力。具體應用需求如下 ：
基于患者的健康檔案、就醫(yī)史、用藥史、智能可穿戴設備監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息可在云端為患者建立“醫(yī)療數(shù)字孿生”，并在生物芯片、增強分析、邊緣計算、人工智能等技術(shù)的支撐下模擬人體運作，實現(xiàn)對醫(yī)療個體健康狀況預測分析和精準醫(yī)療診斷。如基于醫(yī)療數(shù)字孿生應用，可遠程和實時地監(jiān)測心血管病人的健康狀態(tài)；當智能穿戴設備傳感器節(jié)點測量到任何異常信息時，救援機構(gòu)可立即開展急救。同樣通過醫(yī)療數(shù)字孿生還可通過在患者體內(nèi)植入生物醫(yī)學傳感器來全天監(jiān)控其血糖水平，以提供有關食物和運動的建議等。
1) 精準醫(yī)療，精準醫(yī)療是未來的診療模式。基于醫(yī)療數(shù)字孿生，醫(yī)生可通過對患者健康大數(shù)據(jù)（基因、生活習慣、家族病史和病例）的搜集和分析，進而提出個性化、針對性的治療方式和藥物，實現(xiàn)精準診斷與治療。這種模式不僅用于患者的疾病治療，更側(cè)重于對人們疾病的預防。最大的可能是醫(yī)生根據(jù)患者的基因、生活習慣等因素制定獨特的藥物和方案。個性化藥物使醫(yī)療效率得到優(yōu)化，藥物副作用降低，住院率下降，最終會體現(xiàn)在患者整體醫(yī)療成本的下降，也緩解了醫(yī)療資源的不足問題 。
2) 健康監(jiān)測與管理，在個人的健康監(jiān)測與管理方面，通過數(shù)字孿生可以更清楚地了解我們身體的變化，對疾病做出及時預警。未來通過各種新型醫(yī)療檢測和掃描儀器以及可穿戴設備，我們可以完美地復制出一個數(shù)字化身體，并可以追蹤這個數(shù)字化身體每一部分的運動與變化，從而更好地進行健康監(jiān)測和管理。但同時，時刻監(jiān)測反饋所帶來的心理暗示是否會影響人類健康又會成為課題 。
3) 遠程醫(yī)療，通過 5G 等傳輸技術(shù)，遠程醫(yī)療也將能夠更為普及。目前全國首例基于 5G 的遠程人體手術(shù)——帕金森病“腦起搏器”植入手術(shù)成功完成，這對實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源下沉、實現(xiàn)自動診療有著重要意義 。
隨著近幾年人工智能 (Artificial intelligence,AI)及大數(shù)據(jù)技術(shù)的飛速發(fā)展,諸多領域借助相關技術(shù)取得重大突破,AI技術(shù)正在逐步走進醫(yī)療領域。其中,AI輔助醫(yī)療決策是一個研究的熱點,其主要應用是通過大數(shù)據(jù)、機器學習和自然語言處理等智能技術(shù),學習醫(yī)療知識、挖掘病歷數(shù)據(jù)、分析醫(yī)學影像等,從而幫助醫(yī)生診斷疾病,為患者治療方案的確定提供依據(jù)并推薦治療方案。雖然已有的智能決策系統(tǒng)取得了一定的成果,但是在實際應用中仍然存在一些問題：
1) 現(xiàn)有智能診療系統(tǒng)過多需要醫(yī)生參與, 不利于醫(yī)生診療效率的提高;
2) 現(xiàn)有的智能診療系統(tǒng)覆蓋醫(yī)療領域不夠全面, 對專科醫(yī)生的意義不大;
3) 對于慢性疾病的診療, 需要對患者身體進行長期的監(jiān)測和管理, 現(xiàn)有智能診療系統(tǒng)大多只限于醫(yī)院門診中。
一個典型的數(shù)字孿生醫(yī)療系統(tǒng),包含資源層、感知層、虛擬資源層、中間件層、服務層及用戶接口層。其中,資源層包含與患者相關的軟硬件資源及歷史數(shù)據(jù)等;感知層用于實時采集和傳輸患者的身體狀態(tài)數(shù)據(jù);虛擬資源層基于數(shù)據(jù)虛擬化物理實體,包含虛擬的醫(yī)療資源、虛擬患者等；中間件層包含服務管理、數(shù)據(jù)管理、知識管理、仿真管理等功能;服務層基于底層的支持提供用戶所需的服務如用藥支持等；用戶接口層提供給用戶數(shù)字孿生醫(yī)療系統(tǒng)的可視化和管理功能界面。基于數(shù)字孿生醫(yī)療系統(tǒng), 醫(yī)護人員可以通過各類實時感知數(shù)據(jù)精準分析病人的病況， 在虛擬病人上預演不同的治療方案, 降低手術(shù)風險. 未來, 可能每個人從出生開始就會有自己的數(shù)字孿生, 它可以幫助人們及時了解自己的健康狀況，調(diào)整飲食和作息。
為了讓“數(shù)字孿生體”更好地呈現(xiàn)在管理運營人員的眼前，RayData攜手騰訊為其“量身定制”了一套可視化交互管理系統(tǒng)，基于數(shù)據(jù)實時渲染技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時圖形可視化、場景化以及深度交互。
通過可視化大屏從全國版圖、指定區(qū)域到指定關鍵設備，全面、集中、動態(tài)地展示了中俄東線站場管理、線路管理、工藝運行與設備等智能化管控技術(shù)。可以全方位、全周期的監(jiān)控“數(shù)字孿生體”的運營狀態(tài)，為管道工程的運營運維、風險排查提供精準、實時的信息數(shù)據(jù)。
顯而易見的是，數(shù)字孿生技術(shù)正在解鎖工業(yè)4.0時代下更多的智能形態(tài)。比如RayData與騰訊機器人實驗室Robotics X等合作伙伴，共同打造工業(yè)智能機器人，憑借自助規(guī)劃、遠程實景操控以及視覺感知等核心技術(shù)，可以在危險復雜的環(huán)境下完成任務。
通過與園區(qū)安全監(jiān)測系統(tǒng)對接，結(jié)合AI機器人智能識別分析技術(shù)，RayData化工與機器人產(chǎn)品融合系統(tǒng)將園區(qū)眾多離散的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行融合，實時呈現(xiàn)在可交互的三維數(shù)字孿生場景中。管理運維人員可在系統(tǒng)上實時了解園區(qū)當前的隱患點位及風險詳情，也可遠程操控AI機器人進行拍攝等任務操作，提高對化工園區(qū)安全態(tài)勢判斷的準確性。
