微软管震：数字孪生的四个技术层次

“过去几年里，有很多人问我，数字孪生到底什么？按照百科的定义，数字孪生是物理世界到数字世界之间的投射，并且以大屏的形式投射出来。如果只是投射到大屏上，这是不是数字孪生呢？我认为不是，因为如果仅限于此，数字孪生就没有生命力。”
2022年6月29日，在ASPENCORE主办的“2022国际AIoT生态发展大会”上，微软首席技术顾问管震针对数字孪生技术做了四个层次的分析。管震以不同的楼层来比喻数字孪生技术，数字孪生技术具体分为四个层次，其中第一层次是一楼，以此类二、三、四层分别对应二、三、四楼。每一楼层分别具有不同的特点，具体可以体现为以下——

第一个技术层次：映射

数字孪生技术的第一层次是物理世界到数字设计的映射。这些映射可以进一步显示，展示一些细节数据，比如“这是哪个厂房”，“有多少条产线”等信息都能显示，这是大家都能理解的数字孪生的体验。
在管震看来，这个过程是AIoT领域极其重要的组成部分，现在较多应用正处于这个阶段。“大量的高屋建瓴的应用，都需要这些技术的支撑。”这个技术指的是IoT，它能展示的信息包括：某个场景中热力图的分析、工厂里每条产线的生产节拍/生产流程或者工艺进展、有无残次品等。这些信息的展示需要IoT（物联网）、产业互联网、低功耗或有源通讯通道技术的支持。另外，在5G/ 6G技术普及的情况下，可通过边缘计算设备，来做数据的采集、本地数据处理和边缘推理等工作。这是微软擅长且正大力投入精力做的事。
这个工作是打基础的一个过程。“如果不打下这个基础，上面的建筑根本无法做起来。我们有一个精通算法的合作伙伴，它的算法可在APS、生产管理等在多约束条件下运行，可以得到‘如何排班’‘如何采购’‘库存怎么调’等信息。当然，算法再厉害也需底层的支持。”
物理世界到数字世界之间怎么映射？“这是一对一的映射，这个映射是有条理的。比如直升机做映射时——首先，它的每个零件都能拆出来且具有ID号，这个ID能正确反映零件在生产中所处的位置。其次，映射到数字世界时，要划一个结构来描述直升机的样子，这叫数字孪生定义语言（DGTL）。直升机描述出来后就能在里面建立映射。当直升机的零件被生产、组装时，就可以参考这个映射的图来拼装。”
生产每一个零部件时，用到的设备、系统都不一样，它们的处理流程也不一样，因此在不同阶段里用到的描述也可能不同。物理世界建立到数字世界之间映射时，还有一个大问题要解决——即物理世界可能会有各种语言描述，但物理世界产生业务价值需依赖数据，这些数据如果不统一，就无法在接下来产生价值。这会暴露出很多问题，不仅涉及到数据格式，还涉及到不同的协议、平台、语言等问题。

第二个技术层次：交互

数字孪生技术的第二层次是交互。满足第一层次的映射后就来到了交互层面。在经历映射之后，每一个零部件都有ID，如果在生产过程发现有异常，或者某个零部件有暇疵，就需要对它做进一步操作。数字孪生不但能看到其中发生了什么，还能与它形成交互。
值得注意的是，这个操作不仅是人和机器的交互，比如某台机器停了，通过人力来重启机器，而且还包括机器对机器的交互。微软希望能把交互，从人与机器的范围，扩大到机器与机器上，在元宇宙和物理世界之间建立强有力的联系。
关于交互，2019年微软在技术大会上展示了一个Demo，这个Demo显示的画面中有两个女人，其中一个戴着HoloLens眼镜，另一个是远程投屏上的人，通过数字孪生的交互，即使是在不同的地方，也能体验到非常逼真的面对面交流的效果。
管震介绍说，原计划这个技术应该用在远程会议上，但是后面发现如果用会议上，还有解决一些问题，包括远程的人要怎么传送过来，他的肢体语言、正在说的话要被录音设备、录像设备实时传送，就算不考虑带宽问题，也需要光栅实时扫描、重新建模投射出去。考量以上因素，这个应用到现在还无法在线上会议中落地。
Demo中的那套光栅的售价几百万美元起步。管震认为，除了办公之外，应该还能用在其他场景。Demo展示的算法的厉害之处是，让物理世界与虚拟世界之间的融合界限越来越模糊。在Demo中，对面桌子的是虚拟的，对面的人是实时传送的，这通过6个深度摄像头，结合算法重构功能实现。他相信，该场景将有可能成为现实。

第三个技术层次：建模

数字孪生技术的第三层次是建模。“如何描述物理世界中发生的事，以及怎么认识这件事。比如，一个人的自我介绍，反映出个人是怎样的属性，是个人了解世界的方法，这个方法称为本体论，这是一个简单的方法，但并非所有的方式和描述都是精准的，目前计算机以这样的方式来认识世界。”
描述一个数字孪生体、数字孪生解决方案时，也是这样表述的——比如这是一栋楼，这栋楼下有第一层、第二层、第三层、第四层，其中第一层多少个房间，每个房间有哪些传感器和设备。这样一层一层下来，如果与别的东西发生交互，每条线还可以写参数，这样的过程建立起来后，就能实现对某一个物体，或者物体与物体之间的交互。
一张图像要怎么变成数字孪生的计算机语言？以能源行业为例，在github平台上，先定义建筑、能源等模板，在实际应用中，再在模版基础上做修改。这一过程中，如果需要增加一个计算、推理的模块，比如英特尔的边缘计算模块，使得它能在运算后得到结果。只需把某模块改成指向类开放模型接口。企业可通过建立最的业务模型，来实现对自己的供应链、生产环节、研发负责，这个业务模型需要非常大的技术沉淀。
原材料研发可能要试验一万种材料，哪种结构适合或不合适，适合什么工艺等，可通过数字孪生的工具，以逻辑图谱的形式体现。该图谱就是企业未来产品的竞争力。建立了图谱之后，产品就可以快速迭代，这是数字孪生带来的作用。

第四个技术层次：演绎

数字孪生技术的第四层次是演绎。管震介绍了两个数字孪生结合的案例。
MCS提供仿真软件，也有数字孪生技术，PGC有数字孪生技术，MCS、PGC与微软数字孪生结合。这是松耦合，通过统一语言把不同的数字孪生结合在一起，实现1+1大于2的效果。在各生产流程中，它的各项工序都是实时体现。如果原材料供应不足，或者某个生产环节停滞，它所带来的影响能提前被预知，这种方案可以用在很多地方。
目前，微软围绕数字孪生技术没有推出平台，Azure IoT、Azure Digital Twins是工具，主要是帮助大家建立映射。另外，Synapse Analytisc、AI&Projec Bonsai也是工具。管震强调说，即便微软未来推出平台，也是为了让大家容易理解。