El pasado, presente y futuro de la tecnología de gemelos digitales
En las siguientes décadas, el valor de la información ha recibido cada vez más atención y se ha convertido en la principal riqueza de la sociedad. La tecnología de la información, como herramienta para extraer el valor de la información, se desarrolla cada día que pasa. La información y la tecnología de la información han cambiado la forma en que cada uno de nosotros trabaja y vive, ha promovido un rápido desarrollo económico y ha traído cambios disruptivos a toda la sociedad.
Tras entrar en el siglo XXI, el desarrollo de las tecnologías de la información ha experimentado nuevos cambios.
La evolución de la tecnología informática representada por la computación en la nube, el big data y la inteligencia artificial, y el salto en la tecnología de conexión representado por las redes totalmente ópticas, 4G/5G y Wi-Fi 6, han hecho que las personas más interesados en la tecnología digital. Generaron mayores expectativas. La gente espera lograr aún más la digitalización, la creación de redes y la inteligencia sobre la base de la informatización, y transferir el creciente impulso digital del campo del consumo personal a diversas industrias verticales, incluidas la fabricación industrial, el transporte y la logística, la educación y la atención médica, y lograr la transformación de toda la industria y la sociedad.
En otras palabras, la tecnología digital no sólo ayuda a los consumidores a socializar y entretenerse mejor, sino que también ayuda a las empresas a actualizar los procesos de fabricación, mejorar los procesos comerciales y aumentar aún más la productividad. Además, debe ayudar al gobierno a mejorar sus capacidades de gobernanza, optimizar la eficiencia de la gestión y mejorar la calidad de vida urbana de los residentes.
En este contexto nace la tecnología de los gemelos digitales.
En marzo de 2011, el Laboratorio de la Fuerza Aérea de Estados Unidos propuso por primera vez gemelos digitales. En aquel momento aplicaron este concepto a la digitalización del mantenimiento de aviones de combate.
Poco después, otras dos empresas prestaron atención a los gemelos digitales y decidieron promocionarlos en el ámbito civil. Las dos empresas son General Electric (GE) de Estados Unidos y Siemens de Alemania.
General Electric y Siemens son gigantes industriales de talla mundial. Llevan mucho tiempo preocupados por la automatización industrial y la transformación digital, y han estado estudiando la Industria 4.0.
Para ellos, el producto de la tecnología de la información del gemelo digital que se desarrolla a una nueva etapa es una tecnología digital industrial típica y representa la dirección futura de la profunda integración y desarrollo de los métodos de fabricación industrial y la tecnología digital. Para ello, han invertido muchos recursos en la investigación y el desarrollo de la tecnología de gemelos digitales y la han promovido en varios campos de todo el mundo.
Después de hablar mucho tiempo, ¿qué es exactamente un gemelo digital?
El concepto oficial de gemelos digitales es difícil de entender y es el siguiente:
Los gemelos digitales se refieren al uso integral de tecnologías de la información como la percepción, la informática y el modelado para definir. espacios físicos a través de software se realiza la descripción, diagnóstico, predicción y toma de decisiones para lograr un mapeo interactivo entre el espacio físico y el ciberespacio (que puede entenderse como espacio virtual digital).
Elimine la descripción y refine los puntos principales, y será más simple: "El gemelo digital es el mapeo interactivo del espacio físico y el espacio virtual digital".
Para decirlo de manera más simple , el gemelo digital es la creación de un "clon" digital de un dispositivo o sistema. Este "clon" también se llama "gemelo digital".
Para muchas personas, los gemelos digitales se confunden fácilmente con el “modelado digital”. Después de todo, el modelado digital también es una clonación de simulación.
Pero en realidad existe una gran diferencia entre gemelos digitales y "modelado digital". Las características de los gemelos digitales se pueden resumir en cuatro palabras: dinámico, de ciclo de vida completo, en tiempo real/casi real y bidireccional.
Lo llamado "dinámico" significa que el estado en tiempo real de la ontología y el estado del entorno externo se reproducirán en el gemelo digital a través de sensores y otros medios. En otras palabras, los gemelos no son estáticos sino que cambian.
El "ciclo de vida completo" se refiere al gemelo digital que recorre todo el ciclo de vida del producto, incluido el diseño, el desarrollo, la fabricación, el servicio, el mantenimiento e incluso el reciclaje al final de su vida útil. No se limita a ayudar a las empresas a crear ontologías de productos, sino que también incluye ayudar a las empresas a utilizar y mantener la ontología.
"Tiempo real/cuasi-real" es fácil de entender, es decir, la respuesta digital "dinámica" mencionada anteriormente se realiza en tiempo real/cuasi-real, sin grandes retrasos. y retrasos evidentes.
La característica "bidireccional" es muy crítica. El modelado tradicional suele ser unidireccional: construye un modelo y luego crea una ontología basada en el modelo. Los gemelos digitales son completamente diferentes. Además de recibir datos del cuerpo, los gemelos también pueden enviar datos al cuerpo en la dirección opuesta. Las empresas pueden tomar más medidas e intervenir en la ontología basándose en la información proporcionada por los gemelos.
Técnicamente, el sistema de tecnología de gemelos digitales es muy grande. Sus procesos de detección, computación y modelado cubren muchos campos técnicos, como control de detección, integración de datos, construcción de modelos, interoperabilidad de modelos, integración empresarial e interacción persona-computadora, y el umbral es muy alto.
La competencia tecnológica de los gemelos digitales es en realidad un juego de la fuerza integral de las tecnologías TIC avanzadas, como la computación en la nube, el big data, el modelado 3D, la Internet industrial y la inteligencia artificial.
El gemelo digital es esencialmente una tecnología que simula la ontología real del espacio físico con la ayuda del modelo de gemelo espacial digital. El motivo de la simulación no son más que dos razones: primero, el costo del cuerpo físico es caro y el costo de prueba y error es demasiado alto, más allá de la asequibilidad. En segundo lugar, la ontología física es única, no admite la replicación física y no tiene oportunidad de prueba y error.
Como se mencionó anteriormente, el Laboratorio de la Fuerza Aérea y General Electric, los primeros gemelos digitales, eran aviones y motores de avión costosos.
En 2018, GE había desarrollado 12.000 gemelos digitales. Según sus propias palabras, crearon un gemelo digital de cada motor, cada turbina y cada RMN.
Después de establecer el gemelo digital, recopilaron los datos operativos de la ontología física y los colocaron en el gemelo. Luego, pueden innovar audazmente, realizar pruebas y errores, realizar cambios en el diseño del producto, realizar pruebas de simulación y observar los efectos para determinar si se deben implementar cambios reales en el producto. De esta forma, el coste y el riesgo de prueba y error se reducen considerablemente y también se acorta el ciclo de desarrollo del producto.
¿Qué tipo de sistema es único y no admite replicación física?
Por supuesto que es un sistema a gran escala, real, público y en uso. Todo el mundo debería haber pensado en ello, la ciudad en la que vivimos todos los días es ese sistema.
Las ciudades son extremadamente complejas. En las ciudades hay millones o incluso decenas de millones de personas, innumerables edificios y vehículos e intrincadas redes de infraestructura (carreteras, agua, electricidad, gas, comunicaciones). No podemos hacer experimentos directamente en la ciudad, ni podemos replicar una ciudad física para realizar experimentos. Por lo tanto, necesitamos utilizar la tecnología de gemelos digitales para construir una ciudad virtual en el espacio digital, realizar simulaciones, experimentos y prueba y error, y mejorar la eficiencia de gestión y operación de la ciudad.
El transporte es una de las funciones más importantes de una ciudad. Tome la plataforma de gemelos digitales de Tencent como ejemplo para aprender más sobre cómo la tecnología de gemelos digitales potencia las aplicaciones en la industria del transporte inteligente.
Primero, veamos la construcción de gemelos digitales del transporte urbano.
Tencent utiliza tecnología de reconstrucción 3D a nivel de ciudad y se basa en sus propios datos cartográficos de alta precisión para restaurar verdaderamente los elementos principales de toda la ciudad, como edificios, carreteras, etc. Luego, están los elementos estáticos como árboles, paradas de autobús, señales de tráfico y marcas de tráfico.
Con elementos estáticos, ¿qué pasa con elementos dinámicos como vehículos y peatones? ¿Se genera en algún momento como en un juego de ordenador?
Por supuesto que no. Los vehículos y peatones del sistema gemelo de tráfico no son completamente virtuales ni se generan aleatoriamente.
La plataforma dual digital recopila imágenes de monitoreo de carreteras en tiempo real a través de cámaras de prueba en carretera, detecta y detecta varios objetivos (vehículos, conducción, etc.), luego "extrae" los datos del objetivo, los modela y luego lo integra sincrónicamente en un entorno de gemelo digital.
De esta manera, podemos realmente realizar la profunda integración del tráfico rodado real y el entorno virtual. Los big data del flujo de tráfico en tiempo real se han restaurado verdaderamente en el espacio digital.
Bajo la simulación en tiempo real a nivel de carriles a gran escala de la ciudad, los datos del flujo de tráfico se pueden presentar visualmente usando colores (mapas de calor del tráfico), tal como usamos las aplicaciones de navegación de mapas. El alcance de la congestión del tráfico urbano queda claro a simple vista.
Una vez completada la construcción del gemelo digital del transporte, desde la perspectiva de Dios, podemos hacer muchas cosas.
En primer lugar, se pueden derivar los cambios en el flujo de tráfico en circunstancias especiales. Simule accidentes de tráfico o realice eventos o actuaciones a gran escala, observe cambios en el flujo de tráfico, pruebe la capacidad de carga de la red de transporte y proporcione una base de toma de decisiones para que las autoridades de transporte urbano formulen planes de emergencia.
En segundo lugar, puede simular el plan de optimización del diseño de los semáforos y proporcionar soporte técnico al departamento de gestión para optimizar la gestión y el despacho del tráfico.
Además, basándose en el entorno virtual, se proporciona planificación dinámica de rutas para vehículos de emergencia como ambulancias y camiones de bomberos para salvar vidas.
En el entorno de los gemelos digitales, Tencent también ha introducido tecnologías relacionadas con motores de juegos para simular libremente diversas condiciones climáticas, evaluar el impacto del clima en la capacidad de transporte del sistema de red de transporte y hacer planes de emergencia con anticipación para entornos climáticos de desastre.
Cabe mencionar que la plataforma del gemelo digital de tráfico no ha sido cerrada. Se pueden abrir interfaces API de bajo costo y bajo umbral a los socios para facilitarles la integración de sistemas comerciales y expandir y fortalecer el ecosistema de la industria del transporte.
Además del transporte urbano, las autopistas interurbanas también son escenarios de aplicación importantes para los gemelos digitales del transporte.
En este escenario, la tecnología de gemelo digital pone énfasis en la operación activa, es decir, en la gestión de toda la autopista.
La transmisión de datos se puede lograr a través de ETC, cámaras, terminales de Internet de vehículos, RSU (Unidad de carretera), estaciones base celulares e incluso satélites. Los datos se pueden calcular y procesar a través de la nube o MEC (nodos de computación de borde) in situ.
Para los departamentos de gestión de carreteras, basándose en el flujo de tráfico percibido, la superficie de la carretera, los datos meteorológicos y de accidentes, el posicionamiento y orientación a nivel de carril, la disposición dinámica de la ruta, el control de la infraestructura del tráfico y otros elementos de la carretera se pueden lograr fácilmente. Seguridad activa y control fino.
Para los conductores, la tecnología de gemelo digital de tráfico tiene capacidades de detección precisas con una precisión del 95 % y capacidades de comunicación con un retraso de un extremo a otro de 300 ms. Puede enviar eventos anormales a los terminales duales del conductor en forma de visión y sonido, mejorando así las capacidades de tráfico seguro del conductor.
Especialmente con mal tiempo (como niebla intensa, lluvia intensa, etc.). ) Y por la noche, la línea de visión del conductor está bloqueada y se pueden obtener condiciones precisas y en tiempo real de la carretera circundante mediante la conducción dual.
Basado en la tecnología de gemelo digital de tráfico, el sistema también puede proporcionar a los propietarios de automóviles servicios complementarios LBS e impulsar servicios a los propietarios de automóviles a través de WeChat y la aplicación Maps para mejorar la experiencia de conducción.
Otra característica distintiva de la tecnología de gemelos digitales en el transporte es la computabilidad.
Se refleja principalmente en la computabilidad del tráfico rodado y en la computabilidad espacial de las predicciones de simulación.
A través de la predicción de simulación, se puede predecir el flujo de tráfico en la próxima hora, lo que respalda la simulación de planes de emergencia en diferentes escenarios de gestión del tráfico y proporciona a los tomadores de decisiones una base científica y cuantitativa para la toma de decisiones y soporte de datos.
Por último, hablemos de la conducción autónoma, que está muy de moda ahora.
La conducción autónoma es la última dirección de desarrollo de los viajes inteligentes. Actualmente, los principales fabricantes están realizando activamente investigaciones y pruebas sobre tecnologías relacionadas.
Sin embargo, para lograr la popularización de la tecnología sin conductor, lo más importante es la prueba y el aprendizaje masivo de los datos de conducción. Sin embargo, las leyes y regulaciones actuales, así como las condiciones de la carretera, no permiten que los vehículos autónomos entren en el entorno real de la carretera para realizar pruebas a voluntad. Aquí es donde entra en juego el entorno de los gemelos digitales.
Basado en el entorno de gemelo digital, puede crear libremente un entorno de prueba de conducción autónoma e implementar pruebas aceleradas paralelas en un entorno de simulación de nube a nivel de ciudad en la nube. Es una prueba ininterrumpida 7 × 24. Puede probar más de 6,5438 millones de kilómetros por día. Esta es una bendición para la tecnología sin conductor. Puede acortar en gran medida el ciclo de desarrollo de la tecnología sin conductor y acelerar su popularización.
En definitiva, los gemelos digitales, como tecnología de transformación digital que “combina lo virtual y lo real”, están acelerando el desarrollo en diversos campos. El rápido desarrollo de la Internet industrial ha promovido su explosión de valor.
En los próximos cien años, si los humanos quieren alcanzar mayores ambiciones, la tecnología del espacio virtual representada por los gemelos digitales será una herramienta y un escenario importante.
¿Cuál es el potencial de los gemelos digitales? ¡Esperemos y veremos!