¡Podemos virtualizarnos! ¿Cómo pueden los hermanamientos digitales transformar las ciudades y las personas?

Este artículo se reproduce con permiso de: Jizhi Club.

Introducción

Wang Peng, investigador senior de ciudades inteligentes y consultor senior de ciudades inteligentes de Huawei, fue invitado a asistir al discurso del Tencent Research Institute Data to Smart Cities. El autor revisa la investigación de Wang Peng sobre datos urbanos y sus aplicaciones, y la combina con las últimas investigaciones sobre digitalización del cuerpo humano realizadas por el equipo Longying de la Universidad de Tsinghua para proponer una discusión sobre la virtualización urbana y personal. Para ver el vídeo de la conferencia, consulte el subprograma y el enlace web al final del artículo.

Los gemelos digitales se originaron en la Industria 4.0

El concepto de gemelos digitales se remonta a un discurso pronunciado ante la industria por el profesor Michael Grieves del Centro PLM (Gestión del ciclo de vida del producto) de la Universidad de Michigan en 2002 (aunque no hay evidencia documentada, todavía se considera ampliamente como la primera fuente de gemelos digitales).

En 2014, Michael Grieves detalló en su documento técnico "Digital Twins: Achieving Manufacturing Excellence Through Virtual Factory Replication". Él cree que se puede construir una entidad virtual y un subsistema que pueda representar el dispositivo físico en el espacio virtual (de información) a través de los datos del dispositivo físico, y esta conexión no es unidireccional ni estática, sino que está vinculada a lo largo de todo el ciclo de vida del producto. . juntos.

Después, el concepto de gemelos digitales se fue expandiendo paulatinamente a campos como la simulación, el ensamblaje virtual y la impresión 3D. Con el desarrollo continuo de la tecnología de Internet de las cosas, la inteligencia artificial y la tecnología de realidad virtual, cada vez más productos y equipos industriales tienen características inteligentes. El emparejamiento digital se expande gradualmente hasta la etapa del ciclo completo del producto, incluida la fabricación y los servicios, y continúa enriqueciendo la tecnología digital. y conceptos de maridaje.

El mundo empresarial está a la vanguardia de los gemelos digitales. Los gemelos digitales (Digital Twining) bajo la Industria 4.0 han recibido su propio entendimiento por parte de los principales fabricantes de software y se han integrado con sus propios negocios. Están comprometidos a crear una solución que integre el mundo real y el mundo virtual.

Con el concepto de gemelos digitales, General Electric Company (GE) y ANSYS han propuesto una manera de integrar maquinaria física y tecnología analítica para que cada motor, cada turbina y cada vibración magnética nuclear tenga un "digital". twin" realiza la depuración, prueba y simulación de condiciones operativas optimizadas del robot en un entorno virtual a través de un modelo digital, aplicando así la solución óptima a la máquina en el mundo físico, ahorrando muchos costos de mantenimiento y depuración.

Siemens hace referencia al concepto de gemelos digitales para describir el modelo de datos en todos los aspectos del ciclo de vida del producto. En términos generales, el hermanamiento digital consiste en simular el espacio operativo real de algunas fábricas, desde el diseño del producto hasta el diseño de la línea de producción, el diseño mecánico de los fabricantes de equipos y la planificación y programación de la fábrica, hasta la ejecución final de la fabricación y los macrodatos del producto.

Dassault Systemes, una empresa de software francesa, no sólo concede importancia a la expresión digital de los productos, sino que también intenta realizar la interacción entre diseñadores y clientes a través de una plataforma de experiencia tridimensional en la verificación colaborativa de lo digital. emprendimiento masivo.

La empresa alemana de software SAP ha construido un gemelo digital completo en el mundo digital basado en la plataforma Leonardo. Durante la fase de prueba del producto, se recopila y analiza el estado operativo del equipo para obtener el rendimiento real del producto, que luego se compara con los objetivos de diseño de requisitos para formar un sistema de circuito cerrado para el desarrollo del producto.

En resumen, los gemelos digitales de la Industria 4.0 proporcionan a la industria manufacturera la relación cartográfica entre el espacio físico y el espacio virtual, así como la capacidad de registrar, simular y predecir la trayectoria de los objetos en el mundo físico y proceso virtual digital.

El mundo físico y las copias digitales

Hermanamiento digital: dando origen a la ciudad inteligente 2.0

Cabe destacar que el concepto de gemelos digitales no sólo está activo en la industria manufacturera de la Industria 4.0, también aparecen cada vez con más frecuencia en el ámbito de las ciudades inteligentes. A medida que las TIC (información, comunicaciones y tecnología) se convierten en la principal fuerza impulsora para el desarrollo de ciudades inteligentes, las comunicaciones móviles, Internet, la computación en la nube, los sensores, la inteligencia artificial y las comunicaciones cuánticas se han utilizado ampliamente en las ciudades inteligentes. El desarrollo tecnológico en percepción global, simulación digital, aprendizaje profundo y otros campos está a punto de alcanzar un punto de inflexión, lo que ha llevado al surgimiento de gemelos digitales de las ciudades.

El desarrollo de gemelos digitales en las ciudades inteligentes de China todavía tiene un largo camino por recorrer. Los gemelos digitales dependen en gran medida de los datos y la información recopilados por los sensores, pero aún es difícil obtener una percepción global de los datos urbanos y los datos históricos multidimensionales a escalas finas. Los datos en el espacio físico físico no están lo suficientemente detallados, lo que conllevará directamente a la pérdida de su copia digital. En la actualidad, todavía existe una gran brecha entre la deducción de simulación del sistema digital de espacio aislado imaginario de doble rango y las funciones de toma de decisiones de la inteligencia artificial.

El valor central del hermanamiento digital en el desarrollo y construcción de ciudades inteligentes es que puede establecer una gama completa de conexiones en tiempo real entre el mundo físico y el mundo digital, y luego registrar, analizar y predecir. el funcionamiento de los objetos a lo largo de su ciclo de vida cambia.

Los gemelos digitales en las ciudades inteligentes se pueden dividir en cuatro etapas:

el estado dual de dibujar de manera precisa, integral y dinámica la situación actual de la ciudad;

aprender, analizar e identificar a partir de datos históricos. , resumen, gemelos de aprendizaje que buscan reglas de operación urbana;

gemelos de simulación que simulan escenarios de desarrollo en diferentes entornos ambientales bajo supervisión manual;

Finalmente, toma de decisiones automática a través del acceso a datos en tiempo real e inteligencia artificial de gemelos independientes.

Al mismo tiempo, también debemos ver el enorme potencial de los gemelos digitales en el desarrollo continuo de tecnologías de sensores, 5g y computación de vanguardia. El despliegue de alta densidad y la detección de alta precisión de sensores, combinados con la retroalimentación informática estructurada en tiempo real de 5G y la informática de punta, la percepción global y la actualización en tiempo real de los espacios físicos urbanos serán la norma en la era 5G. Ladrillos, tejas, pasto, árboles, una mesa, una silla, una persona y un automóvil actualizarán su información de ubicación y estado en diferentes frecuencias, creando así una verdadera ciudad virtual "holográfica".

Datos urbanos: ADN del gemelo digital

En la construcción de ciudades inteligentes, el núcleo de los gemelos digitales es construir un espacio virtual (de información) que esté completamente mapeado con el espacio físico de la ciudad. A diferencia de los datos de información de productos que los fabricantes captan plenamente en la gestión del ciclo de productos de fabricación, la ciudad es un sistema grande y complejo, y su espacio físico y sus procesos generan constantemente datos masivos multidimensionales. Esto es sin duda un problema en la recopilación y el procesamiento de datos. , operación, almacenamiento y gestión plantean desafíos a los gemelos digitales de las ciudades.

En los últimos años, la cadena ecológica urbana con datos como núcleo ha construido el diseño de alto nivel de ciudades inteligentes, formando una "percepción-aplicación-*información compartida" con * información compartida como centro y Cooperación colaborativa entre diversas industrias. “Modelo de ciudad inteligente. Al mismo tiempo, impulsados ​​por las tecnologías TIC emergentes, como los macrodatos, la inteligencia artificial, la computación en la nube y el Internet de las cosas, los datos urbanos masivos y multidimensionales se están extrayendo gradualmente de diferentes maneras y aplicándose en la investigación y la práctica de las ciudades inteligentes.

La electronicización y visualización espacial de los datos estadísticos urbanos tradicionales es el primer paso en el desarrollo del big data urbano. Sobre la base de trazar los límites de las regiones administrativas en la plataforma SIG y compararlos con los datos estadísticos tradicionales del anuario, los datos tradicionales se digitalizan y visualizan, y la visualización y el análisis espaciales se logran basándose en la función de análisis espacial del SIG.

Visualización electrónica y espacial de datos estadísticos tradicionales en Cityeye

La aplicación de big data de Internet marca que las ciudades realmente han entrado en la era del big data de Internet se ha convertido en el "top". prioridad" de la investigación urbana en los últimos años. cariño". Tanto el mundo académico como la industria están explorando activamente las numerosas posibilidades que los macrodatos de Internet aportan a la investigación y el desarrollo urbanos.

La mayor ventaja de los big data de Internet es que rompe las barreras de adquisición de datos de arriba hacia abajo de los datos tradicionales y, en su lugar, proporciona datos multidimensionales a una escala fina de manera ascendente, como el registro. todas las ubicaciones geográficas en una ciudad, datos de puntos de interés (POI) sobre la ubicación espacial y los atributos de las entidades; big data de redes sociales que reflejan la popularidad del tema y retratos de usuarios en tiempo real de mapas de calor de distribución espacial de la población, etc.

Con la llegada de las ciudades inteligentes, el avance y la madurez de la tecnología de sensores proporciona otra forma de obtener datos para la investigación urbana.

Mediante la instalación de sensores integrados de múltiples módulos en la ciudad, se puede lograr la percepción y recopilación de datos en tiempo real sobre el entorno urbano, el comportamiento humano y de los vehículos, etc. a gran escala. Por ejemplo, las estaciones de monitoreo de datos de redes urbanas pueden usar redes de sensores de múltiples módulos para monitorear el flujo de peatones y vehículos y la calidad ambiental, como la velocidad y dirección del viento, la luz, la temperatura y la humedad, y PM2.5. Urban grid es un producto de IoT diseñado para percibir con precisión el espacio urbano. También es un caso clásico de tecnología de sensores aplicada a la percepción urbana global, la recopilación de datos e incluso la predicción de futuros microambientes urbanos y comportamientos humanos y de vehículos. El equipo de Wang Peng también ha utilizado redes urbanas para monitorear y recopilar datos en el campus de la Universidad de Tsinghua y en la comunidad de Baitasi muchas veces para realizar análisis en profundidad del entorno urbano y el comportamiento de las multitudes.

Estación de monitoreo de datos de la red eléctrica urbana de la red eléctrica urbana

Los datos LBS (datos para servicios basados ​​en la ubicación) recopilan datos de señalización ininterrumpida entre los usuarios y las estaciones base a través de los operadores, y pueden obtener datos móviles relativamente Ubicación espacial precisa en tiempo real de los usuarios del servicio. Debido a su gran número de usuarios y amplia cobertura, son los datos "definitivos" que describen el número y la distribución espacial de la población urbana.

¡Nos digitalizamos!

Yo digital

Si bien lamentan cómo los gemelos digitales pueden subvertir la gestión y el funcionamiento de la manufactura y las ciudades, algunos académicos han comenzado a explorar cómo crear gemelos digitales de individuos humanos.

Zhang, asistente de investigación del equipo Longying de la Universidad de Tsinghua, publicó recientemente un artículo titulado "Aplicación de cámaras portátiles en el estudio del comportamiento dual de Inpi en entornos arquitectónicos", proponiendo el uso innovador de cámaras portátiles para analizar el comportamiento individual y urbano. La percepción espacial realiza la recopilación, el análisis y la simulación de datos.

El equipo de investigación utiliza una cámara portátil para registrar datos de la pantalla cada cinco minutos frente al usuario y analiza las características de comportamiento individuales del usuario, la asignación de tiempo y la ruta a través del reconocimiento manual, el análisis de visión por computadora y el color. Análisis de reconocimiento de factores como transferencias y eventos del sitio. Los resultados de la investigación muestran que los datos de imágenes recopilados por las cámaras portátiles contienen información rica sobre el comportamiento individual y el espacio-temporal, y pueden describir eficazmente las características de comportamiento de los individuos en el espacio.

"Diario de vida" digital

Con la aplicación generalizada y el rápido desarrollo de big data en la investigación urbana, basado en datos morfológicos del entorno construido (como sensores remotos, vistas de calles y datos de puntos de interés) ) y varias investigaciones grupales a gran escala sobre datos de Internet (como Weibo, comentarios y datos de señalización de teléfonos móviles) proporcionan una gran cantidad de referencias de casos sobre el uso de big data para explicar los problemas urbanos y gradualmente establecen una base teórica. Sin embargo, estos big data basados ​​en el espacio físico urbano de escala gruesa o en grupos de gran escala todavía son difíciles de aplicar al análisis en profundidad y a la interpretación de la investigación de los individuos.

Las cámaras portátiles ofrecen nuevas oportunidades para recopilar datos personales a escala. Al digitalizar la información de la actividad personal a través de datos de imágenes grabadas, se forma un archivo electrónico del "yo digital", que compensa los problemas de continuidad insuficiente y dimensionalidad insuficiente de la recopilación de datos de comportamiento individual en las investigaciones existentes. Este es también uno de los cambios de los datos del entorno urbano a la información del comportamiento individual. Al mismo tiempo, la informatización del comportamiento individual también promoverá la innovación de los métodos de investigación y la intervención de nuevas tecnologías, pasando de la "percepción individual" subjetiva a la "investigación cuantitativa" objetiva.

Desde la perspectiva de lo digital gemelos, basado en A través de la clasificación y el análisis de los datos de la pantalla registrados por cámaras portátiles, las características de comportamiento del individuo en el espacio físico se pueden extraer y estas características de comportamiento del individuo se pueden digitalizar aún más en el tiempo y el espacio, construyendo así las características de comportamiento del individuo en el espacio virtual (de información). Al mismo tiempo, una gran cantidad de elementos ambientales construidos en el espacio físico contenidos en datos de imágenes también pueden digitalizarse y registrarse en el espacio virtual, reflejando así la interacción entre los individuos y el medio ambiente tanto en el espacio físico como en el virtual.

El rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología no sólo ha cambiado enormemente los estilos de vida de las personas, sino que también ha afectado todos los aspectos del funcionamiento urbano. Es innegable que el rápido desarrollo de nuevas tecnologías ha brindado nuevas oportunidades para la investigación y la práctica urbanas y ha promovido avances e innovaciones en tecnologías y herramientas de planificación urbana. Por ejemplo, el diseño de mejora de datos propuesto por Yinglong permite a los planificadores realizar análisis y respuestas de diseño de planificación más completos y precisos para la ciudad con la ayuda de big data urbanos multidimensionales.

Al mismo tiempo, con la ayuda de la innovación en tecnologías de la información y la comunicación, la mejora del almacenamiento de datos, la minería, la computación en la nube y la visualización también proporciona una nueva perspectiva para estudiar las ciudades. La forma de pensar de las personas ha cambiado del pensamiento mecánico tradicional al pensamiento de big data, y sus métodos cognitivos han cambiado gradualmente a una combinación de experiencia y realidad. Bajo la innovación tecnológica de la cuarta revolución industrial, los conceptos de gemelos digitales urbanos y yo digital también tendrán connotaciones más ricas.

Datos de referencia

[1] Wang Peng: Mirando hacia la ciudad futura, todo está operativa | Resumen del alcalde de la ciudad inteligente

[2] Wang Peng : Los datos de la ciudad han llegado Smart City

[3] Long, Yu (2019). (Nueva)Ciencia Urbana: Estudiar nuevas ciudades con nuevos datos, métodos y tecnologías. Fronteras en la arquitectura del paisaje, 7(2), 8-21.

[4] Zhang, Zhang Zhixiang y Long, Yu. (2019). Aplicación de cámaras portátiles para estudiar el comportamiento individual en entornos construidos. Fronteras en la arquitectura del paisaje, 7(2), 22-37.