智能制造+智慧城市+卫星通信：数字孪生网络正在悄悄改变99%行业

来源：《数字孪生系统设计与实践》

丁盈 朱军 王晓征

随着 5G 网络逐步规模商用，其大带宽(eMBB)、低时延(uRLLC)和广连接(mMTC)的三大特性无疑将会给用户带来前所未有的体验。但由于网络运营的高可靠性要求、5G 网络本身的复杂性、网络故障的高代价以及昂贵的试验成本，网络的变动往往牵一发而动全身，新技术的部署越发困难，如何利用大数据及 AI的能力构建数字孪生智能网络有效保障网络运维，进行对网络的仿真模拟，并在此基础对结果进行呈现，借助李生平台对实际物理网络进行实时的优化与管理，并进一步助力业务创新将是未来网络发展亟待解决的问题。

中国移动发表的论文《数字孪生网络(DTN)概念、架构及关键技术》中对 5G 网络面临的典型挑战进行了总结：伴随物联网技术的兴起，通信式不断更新，网络承载的业务类型、网络所服务的对象、连接到网络的设备类型等早现出多样化发展，网络需要具有较高灵活性；作为基础设施，网络需要具有高可靠性，因此现网环境难以直接用于网络创新技术研究。但仅基于线下仿真平台的研究会大大影响结果的有效性，这导致网络新技术研发周期长、部署难度大；网络资源的云化、业务的按需设计、资源的编排等，使得网络运行和维护面临前所未有的压力：由于缺乏有效的虚拟验证平台，网络优化操作不得不直接作用于现网基础设施中，造成较长的时间消耗以及较高的现网运行业务风险，从而加大网络的运营成本以及影响运营的风险。

基于上述需求，结合数字孪生技术的数字孪生网络应运而生。将数字孪生技术应用于网络，创建物理网络设施的虚拟镜像，即可搭建与实体网络网元一致、拓扑一致、数据一致的数字孪生网络平台，提供网络配置正确性验证、新技术效果验证的试验床，大大降低现网风险，消除错误配置导致现网故障的可能性。另外，数字孪生网络在网络流量全息透视、网元全生命周期管理等场景也能发挥重要作用。

自 2002 年 Grieves 教授提出关于数字孪生(Digital Twin)的理念，并将其定义为包含物理对象、虚拟对象，及二者间的信息流后，数字孪生技术就逐渐走入各行各业。在这些行业发挥着优化工厂产能、提升城市治理管理能力、降低 制造业设备故障率等方面有着积极的引领作用。同时需要指出的是在网络治理、规划、预测、优化层面，数字孪生技术与理念也正在发挥着举足轻重的作用。

“孪生网络+智能制造”领域 

通过采用数字化模型的设计技术，将物理设备的各种属性映射到虚拟空间中，形成可拆解、可复 制、可转移、可修改、可删除、可重复操作的数字镜像，在虚拟的三维数字空间快速便捷地修改部件和产品的每一处尺寸和装配关系大幅度减少了迭代过程中物理样机的制造次数、时间，以及成本。同时数字孪生体可以采集有限的物理传感器指标的直接数据，借助数据的历史规律，通过机器学习推测出一些原本无法直接测量的指标。由此实现对当前状态的评估、对过去发生问题的诊断，以及对未来趋势的预测，并给予分析的结果，模拟各种可能性，提供更全面的决策支持。经过十余年的发展，数字孪生技术现已在诸如城市建设、卫星网络、生产车间等行业成功应用。

“孪生网络+智慧城市”领域

借助数字孪生技术可以提升城市规划质量和水平，推动城市设计和建设，辅助城市管理和运行，让城市生活与环境变得更好。雄安新区的规划纲要中明确指出要规划建设数字城市，将雄安打造成全球领先的数字城市。数字孪生城市的构建，包含物理城市、虚拟城市、城市大数据、虚实交互和智能服务五方面。通过在城建设备上布设传感器感知、监测城市运行状态，其次，建立物理城市相应的孪生模型实现对城市全方位的模拟，同时收集与记录城市运行数据驱动数字孪生城市的发展优化，最终借助数字孪生的虚实交互实现城市规划设计、优化市政规划等智能服务。具体如新加坡已与达索合作构建监控城市中从公交车站到建筑物等一切事物的数字孪生城市，Cityzenith 搭建了一个“5D 智能城市平台”，实现了基础设施开发过程的数字化及城市的数字化全生命周期管理。

“孪生网络+工业制造”领域

作为制造业的基础单元，生产车间面临着多设备、多技术的复杂性挑战。为实现车间信息与物理空间的实时交互，北航数字孪生技术研究团队提出了数字孪生车间的概念。通过构建数字孪生车间，能有效提高生产过程的可视化与智能化，能够实现车间设备的全生命周期管理，监测设备健康，即时捕捉设备性能退化、准确定位故障原因，同时能够实现维修策略的合理性验证。此外，孪生车间与物理车间的数据交互，能够提高设备能耗分析的准确度与完备性，实现多维多尺度分析。此外，基于孪生车间与物理车间的实时交互，可以实现对突发故障等的及时感知与处理，减少生产损耗。

“孪生网络+卫星通信”领域

在该领域同样面临着各种各样的问题与挑战。而借助数字孪生技术，可动态模拟卫星网络节点与链路的动态变化、复杂的网络时空行为及差异巨大的业务类型，实现卫星网络的全生命周期管控，优化卫星网络组网，提高卫星的数字化与智能化水平，解决卫星面临的远程健康监控、状况评估与维修维护难题。

“孪生网络+规建维优”场景

物联网设备的入网，人网与物网都在面临着巨大的挑战，如何借助数字孪生理念构建一个可以模拟仿真动态网络，并可以实时反哺优化现实物理网络成为下一代网络发展的重点突破口。

值得指出的是，近年来得益于物联网、人工智能、大数据、云计算云网融合等新一代技术的发展，数字孪生的概念以及相关技术也应运得到了进一步的发展，在如上各行业的研究及应用也证实了其所具备的，诸如预验证、减少生产消耗、全生命周期管理等各种优势。因而，将数字孪生技术引入网络中，构建数字孪生网络，是下一代网络发展的必然趋势。