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“數字孿生”這一貫穿冬奧會各個場館臺前幕后的“高科技”。

數字孿生（Digital Twin）也稱數字雙胞胎，顧名思義，就是根據真實世界再創一個與之1：1映射的數字虛擬世界，讓人們在其中去預演真實世界，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，無一不用到了這一聽起來和“元宇宙”一樣神秘的技術方案。

這就好比是，在冬奧會打造“第二個冬奧”。

1月19日，北京冬奧組委發布公告稱，冬奧會“場館仿真系統”名列奧運經濟遺產分冊中“科技冬奧”板塊第三類首位。該系統正是基于數字孿生模型，奧林匹克廣播服務公司（OBS）主席雅尼斯先生稱其為“擁抱未來的技術”。

▲國家速滑館數字孿生操作系統界面

實際上，源于工業領域的數字孿生技術在過去幾年里已經風靡起來，在中國各大城市、無數園區中如雨后春筍般落地實踐，無論是天津濱海的數字孿生城市，還是北京通州的數字孿生小鎮，或是湖北三峽的水壩運維，都已經用上了“數字孿生”技術。

冬奧會數字孿生方案可以說是數字孿生城市技術在體育場館這一細分領域的集中爆發。

再看看產業，我們看到包括華為、阿里、騰訊、英特爾、京東、百度等在內的科技巨頭全都深度入局，以及眾多像泰瑞數創、51World、優锘科技這樣的創企也已賺得盆滿缽滿。去年以來，一股“元宇宙”的熱風更把數字孿生這一背后核心技術吹得熱火朝天，吸引資本紛紛入局。

中國工程院院士倪光南在2019數博會“數字孿生城市建設與產業創新全球峰會”上說：“（數字孿生城市）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，相信會引領以后的潮流。”

從今年冬奧會來看，數字孿生技術引領世界潮流的一天似乎已經要來了。

01.史上首屆“數字孿生”冬奧會

對于奧運賽事轉播商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同事轉而找到了一個新辦法——通過一個在電腦桌面上虛擬的數字孿生場館，他們就遠程模擬了鏡頭的點位、參數及切播順序，進而在真實場景中直接應用。

▲通過數字孿生場館系統進行轉播方案設計

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”——數字孿生。

一般認為，數字孿生（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、德國西門子等企業用于工業領域。近年來，數字孿生被我國引入到智慧城市、園區等領域——通過構建一個信息維度上的城市/園區，讓兩者像一對雙胞胎一樣共同存在，從而操控真實場所。數字孿生這一近年在國內興起的技術，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，一個復刻鳥巢的“數字孿生操作系統”在儀式期間動態采集設備的運行情況、環境變化、人流聚集疏散情況。

其實，在表演創排階段，數字孿生系統已經起到了作用。比如，開幕式第一個節目《立春》，如何讓近400名演員同時揮舞發光棒互不干擾就是一個難題，而這些都是通過數字孿生仿真技術模擬實際效果，進而實現的。

再看看冬奧會賽事現場，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的數字孿生場館模擬仿真系統正在運轉工作。該系統由英特爾聯合北京電影學院、視伴科技等機構打造。

據悉，基于該系統，奧組委可以遠程對場館內的設置提出修改意見，減少實地勘查的時間成本與疫情防控風險；奧運轉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場就能選擇自己心儀的房間，提前看現場，甚至模擬訓練……

▲通過數字孿生場館系統遠程提前看賽場

英特爾技術專家告訴我們，剛剛播出的冰球比賽頒獎就用到了這套數字孿生系統。冰球頒獎需要一個個團隊逐一上場，志愿者、頒獎人員及現場的流程、音樂等調度工作復雜。為了頒獎現場順利推進，組委會通過數字孿生系統用幾支模擬隊伍及其他模擬要素進行了模擬彩排，從而大大節省了彩排時間和次數。

賽事研判、選手訓練等場景可能也用到了數字孿生技術。根據中國信通院發布的《數字孿生城市優秀案例匯編（2021年）》，其中第一個典型案例就是來自51World公司的“雪場賽道數字孿生分析系統”。

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，并把數據上傳到后臺的雪場賽道數字孿生分析系統中，進而進行數據分析、輔助賽事研判、模擬轉播等。

數字孿生更滲透進冬奧場館的深度運維中，根據主流媒體報道，在本次冬奧會三個賽區的數十座場館里的電力調配，正是由一個數字孿生電力“智慧大腦”掌控。這是北京優锘科技公司助力國家電網北京電力建設的電力運行保障指揮平臺，是奧運史上首次電力業務領域實現數字化、智能化的全景監視。

從前臺開幕式、賽事，到后臺的場館管控、基礎設施運維，數字孿生技術已經滲透到了冬奧會的各個環節。背后，這些系統又是如何運作的？有什么樣的技術邏輯？我們和行業技術專家們聊了聊。

02.冬奧會場館的“數字孿生”是如何實現的？

冬奧會的數字孿生場館系統是如何運作的？

一位深度參與VSS系統的英特爾技術專家告訴我們，拿“大跳臺”模擬轉播來說，導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字孿生系統中。2、把數字孿生系統中的攝像機挪動到合適的位置，同時把攝像機的參數調到適合的焦距、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用中去復制方案。

可以看到，這是一個通過數字孿生實現線上線下遠程協作的典型應用。那么背后的數字孿生系統又是如何建成的？

在解答這個問題前，讓我們先來總結下這些數字孿生系統有什么樣的共性。實際上，盡管數字孿生技術被應用到了賽場、開幕式、電力運維等各個方面，但作為數字孿生城市在細分領域的落地，理論上它們的功能不外乎以下四個：

1、模擬仿真。對現實場景進行線上復制，支持線上模擬預演等動作。

2、全息動態感知。數據集中在一個平臺并實現可視化，并盡量實時動態更新。

3、實時診斷。通過AI等技術對采集數據的結構化分析，該系統支持實時報警、診斷事件因果等功能。

4、決策建議。通過知識圖譜等技術，該系統能夠根據模擬現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字孿生系統標配的功能，而后三者則是在此基礎上的疊加。

搭建一個具備基本功能的數字孿生系統需要哪些步驟？結合業內人士的解讀，我們可以將實現數字孿生簡單分為三步：首先需要將物理空間的非結構化數據感知并翻譯為一組數據，然后通過建模將數據還原映射，形成一個孿生的物理模型，最后利用AI算法技術對相關信息進行解析，指導決策。

英特爾技術專家告訴我們，冬奧會是一個非常大的平臺，驗證了數字孿生技術的應用價值。過去，人們都是在“一張平面圖”上（對奧運賽事）進行規劃，現在，人們是在“一張立體圖上”規劃，以此促進了24小時多人遠程無紙化互動，同時還支持數字化資產的傳承和轉移。

實際上，從“一張平面圖”到“一張立體圖”的轉變背后，更深層次的意義是通過全域數據的實時可視化，挖掘數據的最大價值。

而這，其實是一場在中國智慧城市產業中長達五年的技術試驗成果在一次國際性展會中的大檢閱。

03.五年“數字孿生城市”技術大爆發

業內人士告訴我們，本次冬奧會各大場館中涌現出的不同數字孿生系統，是既有數字孿生城市技術積淀實力的一次集中爆發。

“數字孿生城市”的提法應該是在2017年前后起于數字雄安新區項目。雄安新區是萬眾期待的“數字之都”，隨著雄安打響“數字孿生城市”建設的第一槍，近幾年來，數字孿生城市在城市綜合治理等大場景中陸續試點，在許多園區、校園等中小型場景中已經實現了規模性突破，這才為其在本屆冬奧會中發揮作用奠定了基礎。

2021年以來我國進入“十四五”時期，數字孿生城市先被寫進《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》，而后2021年12月，國務院印發《“十四五”數字經濟發展規劃》，首次明確提出“提升城市綜合管理服務能力……因地制宜構建數字孿生城市。”

數字孿生城市建設在國家層面定調，是對過去幾年來數字孿生城市建設總結升華。

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，由此拉開了數字孿生城市建設的序幕。

CIM是一個具有城市語義信息的“三維模型”。數字孿生城市與智慧城市可以說共用基本技術架構，但最大的區別是為其加了一個CIM底座，它需要基于新型測繪、標識感知、虛擬現實、模擬仿真等技術對城市數據進行采集，進而實現城市的三維重建。

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平臺建設是試點的必選內容之一。

2021年6月，住建部經過梳理各地CIM基礎平臺建設發現，個別地區對于“什么是CIM基礎平臺”存在認識不一、模糊不清等問題，因此，印發《城市信息模型（CIM）基礎平臺技術導則》，首次明確回答了“什么是CIM基礎平臺”這一基礎問題。

進入2021年，CIM這一新物種已經在全國上下遍地開花。根據中國信通院報告，全國CIM相關標數從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。

而全國的數字孿生案例，已經涌現出了濟南泉域四維地質環境可視化信息系統平臺、成宜智慧高速數字孿生應用場景、天津濱海數字孿生城市、廣州“穗智管”城市運行管理中樞項目等多個知名的城市數字孿生標桿項目。

04.智慧城市的“升維賽道”，創企與巨頭共舞

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，數字孿生城市也基本沿用了智慧城市的技術架構。這里，我們可以帶著不太了解智慧城市基本技術架構的讀者看看：

首先，在底層的ICT架構方面，數字孿生城市與智慧城市共用一整套云、邊、網、端基礎設施架構；

然后往上，是城市數據平臺，類似京東城市操作系統、華為“沃土”數字平臺、浪潮數字城市底座等，將所有場景的數據匯聚到一個平臺中。數字孿生城市要求在這一層面匯聚更多的時空數據、高精地圖信息、運行數據等，可能將數據量大大擴展。

最后是最上面的應用層，常見的包括城市大腦、運營智慧中心、交通指揮中心等，數字孿生城市可能會增加更多仿真模擬推演等應用。

數字孿生城市與智慧城市在技術架構上基本沿用，也意味著在產業鏈上也基本重合，覆蓋了包括網絡運營商、系統集成商、ICT企業、云服務商等多層玩家。

當下，可以看到我們熟知的科技巨頭都已經大力布局數字孿生城市。

除了本次冬奧會中推動數字孿生場館系統的英特爾，比如阿里的楊浦區城運中心“一網統管”項目、阿里云智慧水利數字孿生應用場景都已經成為業內的標桿項目；騰訊與重慶市住建委聯合發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也憑借突出的創新能力，獲得與大型數字孿生項目合作的機會。包括泰瑞數創、51World、北京數字冰雹、優锘科技等都推出了自己的“拳頭”數字孿生平臺或產品，直接或間接參與本次冬奧會的數字孿生方案。

數字孿生城市依賴智慧城市中的ICT、城市數據平臺等基礎設施，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著主導地位。與此同時，空間視覺、數據智能領域的創企由于具有更加聚焦的創新能力，也出現在各大項目背后，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三維視覺，而是對全域數據的收集、匯聚和處理應用能力，以及更加綜合全面的城市治理能力。

當下，數字孿生的發展也面臨一些挑戰。英特爾技術專家告訴我們，數字孿生方案會帶來很多數字資產，數字資產保護可能面臨挑戰。同時，隨著我們將數字孿生系統進行“上云”，數字孿生方案需要傳輸、計算能力，以及邊緣計算節點、前端網絡設備蓬勃發展，同時需要硬件、編解碼能力提高，從而實現更加流暢的數字孿生體驗。

總的來看，數字孿生城市產業是一個生長在智慧城市產業鏈上的“升維”賽場，需要端、邊、網、云、芯等多個環節的玩家合力，共同挖掘出現實世界數據的更大價值。

05.結語：冬奧會印證數字孿生技術的長期價值

本屆冬奧會已經在不經意間成為了一場中國科技博覽會，包括數字孿生、云轉播、機器人等眾多“高科技”都扛起大梁。不過，這些技術大多并不是為了大會趕工而來，而是中國科技發展到一定程度，在一場盛會上自然而然地落地展現。

“數字孿生”可以說是本屆冬奧會中“含科量”最高的技術之一，實際上，它并不是單純的一個模擬仿真技術，而是融合了云計算、大數據、人工智能、VR等多種技術的綜合體，使命則是將更多的數據價值發掘出來。

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域被復用。