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洞見(jiàn)|水利數字孿生将推動孿生從(cóng)「單向可(kě)視」到「雙向可(kě)算」

發布時間：2023.02.27 閱讀(dú)量：

最近正好在推進一個水利數字孿生的項目，相(xiàng)較于過去(qù)做的智慧城市類的數字孿生類的項目主要側重于可(kě)視化的效果，這個項目則更加趨向于專業和嚴謹一點兒的應用，不僅僅要集成一些專業的水動力模型，其中還(hái)需要集成一些專業的GIS空間分(fēn)析能力，也正是由于之前做了很多偏可(kě)視化的弱GIS類項目，導緻最近團隊成員(yuán)都在惡補之前遺忘的專業知識。
正是要集成這些領域的專業能力，也導緻了水利項目的開發複雜度要遠(yuǎn)高過去(qù)數據驅動類型的數字孿生項目，其核心的差異體現在如(rú)下兩點：
1、從(cóng)專題數據展示到交互式控制，在智慧城市或者智慧工廠(chǎng)類的數字孿生主要還(hái)是以數據集成可(kě)視的産品形式爲主，就(jiù)像我們在項目中經常會遇到的一個問(wèn)題「數字孿生要不要反控設備」，絕大(dà)多數情況下，從(cóng)安全的角度出發得(de)到的回答都是「NO」，但(dàn)是在水利「四預」的場景下，就(jiù)包含了一個交互性很強的「預演」場景，在這個場景下，就(jiù)是需要能夠具備支持多調度對象和多樣化調度方式的“正算”與“反算”的模拟，在孿生的場景中找到最優的方案，在這個過程中就(jiù)會存在對很多孿生要素的控制、修改以及計(jì)算，并生成該方案的影(yǐng)響評估，這是一個虛拟計(jì)算的過程，這也是數字孿生在水利業務中最直接的應用價值。
2、數據單一方向流動到多要素之間數據雙向流動，在智慧城市類的數字孿生項目中，爲了利用渲染引擎的渲染能力，其實我們隻需要将各種異構的數據單向處理城渲染引擎能夠支持的格式就(jiù)可(kě)以，這裡面比較代表性的就(jiù)是GIS+BIM+IOT的數據格式，所以這種能夠支持單向數據接入的插件(jiàn)就(jiù)稱爲了主要的産品形态。
但(dàn)是在具備「預演」這個交互的應用場景下，問(wèn)題的複雜度就(jiù)會立馬上升，由于存在計(jì)算反饋的要求，就(jiù)會導緻兩方面的訴求：
第一、場景單一要素本身(shēn)要具備正反向的反饋能力，給一個輸入就(jiù)要對應的得(de)到一個輸出，所以這裡面還(hái)是之前的老生常談，從(cóng)「底圖」到「算據」，我們構建高精度的孿生底闆的目的不僅僅是爲了看(kàn)的更清楚，他更多的還(hái)是要作爲算法的數據支撐，比如(rú)DEM過去(qù)更多是配合影(yǐng)像疊加做出更好的可(kě)視化效果，但(dàn)是在計(jì)算的場景中，高精度DEM就(jiù)是很重要的一種輸入數據。
對于我們常用的傾斜三維其實也是一樣的，傾斜三維由于具備更多的細節，但(dàn)是在計(jì)算的時候還(hái)需要将傾斜三維再轉換爲算法能夠識别的格式，一起作爲模型的一個輸入進行參數的計(jì)算，在防洪方案确定的時候就(jiù)又需要在這個三維場景上去(qù)調整以及搭建防洪的水利設施，從(cóng)而來(lái)進一步影(yǐng)響演算的結果；
第二、場景多要素之間要相(xiàng)互進行計(jì)算，這也就(jiù)要求這些要素之間要能夠實現數據格式的相(xiàng)互轉換，才有可(kě)能實現對其他要素算力的使用，所以在這個動态交互的過程中，就(jiù)會發現問(wèn)題的複雜度上升了，過去(qù)的用于支持單向互通和集成的一些産品在需求支持上就(jiù)顯得(de)功能偏弱了，在場景上可(kě)能是個簡單的「選擇和确認」，在背後就(jiù)是涉及到一些跨引擎的計(jì)算，其實在這個過程中還(hái)有非常多的工作要做。
在水文領域不是所有的模型都是二維的水動力模型，還(hái)有很多其他類型的水文模型，還(hái)有很多梳理統計(jì)的經驗模型，比如(rú)在遊戲引擎裡面通過平均比降法得(de)到的水面數據，視覺上可(kě)能已經能夠比較直觀的看(kàn)出哪些區域肯能會被淹沒，但(dàn)是如(rú)果定量的進行災損的預估就(jiù)需要利用空間的分(fēn)析方法進行淹沒涉及的人(rén)口和房屋進行計(jì)算，這就(jiù)需要将當前的遊戲引擎中的面轉化爲GIS中的數據模型，再利用GIS的一些能力進行計(jì)算，從(cóng)而再将GIS的計(jì)算結果轉換到遊戲引擎的場景中進行可(kě)視化出來(lái)，這個路(lù)徑其實來(lái)說(shuō)還(hái)是稍微有點麻煩的。
當然這是表象，糾其背後的原因就(jiù)是：當前的融合主要是以「可(kě)視」爲出發點，但(dàn)是并沒有以「可(kě)算」這個出發點出發。
當然這也是在新的場景下得(de)到的新的孿生需求，過去(qù)的場景下這類需求其實是不強的，現在我們爲了解決水利的問(wèn)題，需要将客觀世界的「機(jī)理和規律」搬到數字化孿生場景中。
過去(qù)新勢力的數字孿生廠(chǎng)商在弱GIS場景上，從(cóng)「可(kě)視」出發，可(kě)以說(shuō)給傳統的GIS廠(chǎng)商造成了很大(dà)的沖擊，但(dàn)是在水利數字孿生這種專業的場景上，對于數字孿生的要求不在僅僅是「看(kàn)着好」，更重要的還(hái)是要能夠「算的好」，所以傳統專業GIS廠(chǎng)商可(kě)以說(shuō)還(hái)是具備一定的先發優勢，阿裡在水利的解決方案上也提到了「視算一體」的概念，但(dàn)是目前還(hái)沒有看(kàn)到具體的細節，聽說(shuō)後續會有論文出來(lái)，「看(kàn)」和「算」需要一種更好的兼容方案出來(lái)。
第一，從(cóng)數據的角度出發，構建「看(kàn)算一體化」的統一模型，這個概念其實很類似過去(qù)GIS領域提的「矢栅一體化」的邏輯，但(dàn)是這種「***一體化」的東西其實很難做到一統江湖的作用，牽涉到的東西太多，對存儲、算法以及可(kě)視化都需要支持和重構，我讀(dú)書(shū)階段的一個研究方向就(jiù)是全球離(lí)散網格，希望通過從(cóng)數據模型的角度，在全球這個尺度上實現GIS模型和數值模型的底層數據模型的統一。
第二，從(cóng)計(jì)算的角度出發，讓算法适配到當前的可(kě)視化模型，這種方法就(jiù)是将很多計(jì)算搬到前端上來(lái)，直接在當前的可(kě)視化模型上進行算法的實現，比如(rú)現在也有很多三維GIS的引擎是支持直接在可(kě)視化前端使用前端的數據進行空間計(jì)算，但(dàn)是通常會出現一種情況就(jiù)是，比如(rú)這種空間分(fēn)析隻能夠支持傾斜的空間分(fēn)析，但(dàn)是不支持矢量切片格式的三維白(bái)模的空間分(fēn)析，所以就(jiù)要求算法也要能夠适配到當前的可(kě)視化格式上。
但(dàn)是這種方法存在的問(wèn)題：
第一、當前的可(kě)視化數據結構并不是很嚴謹，比如(rú)現在可(kě)視化數據模型爲了便于前端的調度都被切片了、簡化了，所以數據本身(shēn)也是不嚴謹的。
第二、前端的算力也不一定能夠支持，對于一些簡單的分(fēn)析尚能能夠支持，但(dàn)是對于比如(rú)水利這類水動力模型，計(jì)算其實是比較複雜的，通常都需要對算法進行并行化以及GPU利用改造，對于規模更大(dà)的還(hái)需要超算的資源來(lái)支持。
但(dàn)是同樣存在一種可(kě)能，比如(rú)現在GIS數據接入遊戲引擎就(jiù)是通過插件(jiàn)的方式來(lái)接入的，現在類似低代碼這類的場景制圖功能其實也集成進來(lái)了，那對于一些算法是不是也可(kě)以通過類似ArcToolBox這種工具集的集成進行實現？對于一些數據管理的能力是不是也可(kě)以同樣集成進來(lái)？
以遊戲引擎爲例，未來(lái)的這些數據管理、算法能力都會以插件(jiàn)産品的形式接入到這個大(dà)生态中，用戶隻要根據自己的需求對一些專業的模塊化進行付費就(jiù)好了，大(dà)家也可(kě)以根據自己的需求組裝出一個符合自己需求的數字孿生産品，這樣一來(lái)每家其實都是在維護好一個自己專業的能力，然後構建好自己與遊戲引擎這個大(dà)生态的連接就(jiù)好了，這種模式的核心就(jiù)是就(jiù)是将視和算的 入口統一到遊戲引擎這個體系下來(lái)。
在這一點上其實也很類似Visual Studio Code，做好一個輕量化的編輯器，其他語言以及開發的支持都以插件(jiàn)的方式集成進來(lái)。
數字孿生看(kàn)不是目的，能夠輔助支持決策才是價值，而支持更好的決策，「預演」則是一個少不了的過程，而這個「預演」的過程既需要看(kàn)也需要算，而且需要實時的反饋。
而數字孿生則恰好是實現這個目标的一個路(lù)徑，所以「孿生不是終局，孿生隻是路(lù)徑和手段」，而孿生一定是發展的，因爲解決這個目标需要更多、更好的方法以及手段，而這些方法和手段都是孿生需要涵蓋的内容。
其實我本質上覺得(de)，不存在一個産品叫「數字孿生産品」，「數字孿生」應該是解決一類問(wèn)題的方法的抽象統稱。就(jiù)像水利數字孿生，「四預」是2+N應用的構建範式，而實現這樣專業的範式底層就(jiù)需要構建全要素的算據、專業的算法、強大(dà)的算力。而水利行業總結的這套「四預+數字孿生」的應用構建方法其實在很多條線都有很好的參考意義。
過去(qù)的數字孿生注重的是「表」，而這個階段的孿生則要注重「理」，最終要實現的目标肯定是「表理如(rú)一」。