數(shù)字孿生(Digital Twin)是近幾年熱度很高的一個詞匯，頻繁出現(xiàn)在各大論壇的演講與報告中。2016年以來，知名IT咨詢公司Gartner連續(xù)多年將數(shù)字孿生列入新興科技技術(shù)成熟度曲線(Hype Cycle)。數(shù)字孿生正成為美國、德國、日本、中國等國家數(shù)字化轉(zhuǎn)型的新抓手以及通用電氣、西門子、達索等跨國公司業(yè)務布局的新方向。


Hype Cycle for Emerging Technologies, 2020
(圖片來自gartner.com)

那么什么是數(shù)字孿生？它主要應用在哪些方面？而在自動駕駛領域，它又充當著什么重要角色呢？今天，我們就來“擺擺”數(shù)字孿生以及自動駕駛數(shù)字孿生測試的“龍門陣”。

01：什么是數(shù)字孿生？

首先，讓我們看一下部分權(quán)威機構(gòu)對“數(shù)字孿生”的定義：
德勤(Deloitte)將數(shù)字孿生定義為以數(shù)字化的形式對某一物理實體過去和目前的行為或流程進行動態(tài)呈現(xiàn)。
美國國防軍需大學(Defense Acquisition University)對數(shù)字孿生的定義是：數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。

是不是看完更懵了？哈哈，簡單地說，數(shù)字孿生就是在虛擬環(huán)境中建立一個和現(xiàn)實世界一致的模型。現(xiàn)實世界各種動態(tài)可以在虛擬環(huán)境里同步更新，而在虛擬環(huán)境中做的各種仿真測試、分析優(yōu)化的結(jié)果，可以用來作為指導和干預現(xiàn)實世界決策與行為的重要依據(jù)，從而實現(xiàn)現(xiàn)實世界與虛擬環(huán)境之間信息互通、狀態(tài)互動。

說到這里，有沒有同學想到今年因疫情而誕生的健康碼？健康碼也許算是數(shù)字孿生在目前最貼近我們生活的一種應用，稱之為Digital Me或Digital Health Passport，個人的基本信息、健康狀態(tài)、旅居史等反映為綠、黃、紅三種顏色的二維碼，幫助檢疫人員快速地對人群進行分流與管控。當然，目前的健康碼還是比較簡單的應用，但在未來，我們很可能會擁有個人全面的數(shù)字孿生檔案，涵蓋我們的身份、資產(chǎn)、稅務、社保、教育、醫(yī)療等全方位的信息，真正實現(xiàn)數(shù)字化社會和數(shù)字化生活。


蘇康碼

02：數(shù)字孿生的應用

＋ 數(shù)字孿生工廠

目前的工業(yè)體系中，已經(jīng)有著相當成熟的CAD、CAE、CAM數(shù)字化設計開發(fā)流程，但數(shù)字孿生工廠不止于此。

通過對工廠(園區(qū))的建筑、設施設備、產(chǎn)線等進行建模，對人員、車輛、設施狀態(tài)、產(chǎn)品、產(chǎn)能、能耗等信息采集并匯集到數(shù)字化管理平臺，從而具備可以實現(xiàn)在虛擬環(huán)境中進行實時模擬經(jīng)營生產(chǎn)，幫助管理者做出最優(yōu)的園區(qū)管理和生產(chǎn)管理決策；可以對設備運行數(shù)據(jù)進行分析，提供故障排查和設備維護的依據(jù)；可以對產(chǎn)品進行仿真測試，及時調(diào)整參數(shù)改進工藝，有效提高產(chǎn)品的質(zhì)量；可以提供虛擬的產(chǎn)品觀摩與試用，為顧客提供更優(yōu)質(zhì)的服務和體驗等一系列功能。


數(shù)字孿生工廠(圖片來自www.3ds.com)

＋ 數(shù)字孿生城市

數(shù)字孿生城市則是對城市及城市的基礎設施進行建模，城市功能區(qū)域的劃分、城市基礎設施的覆蓋范圍、城市的水、電、通信、交通、停車位等運行使用狀態(tài)，以及公共服務人員的配置情況，都動態(tài)地呈現(xiàn)在虛擬環(huán)境中，為城市的規(guī)劃、運行、安保提供最直觀的參考。


南京市江北新區(qū)智慧城市指揮中心
(圖片來自www.51hitech.com)

此外，在醫(yī)療、物流、水利、環(huán)保、房地產(chǎn)、軍事等領域，數(shù)字孿生也有不同程度的應用。

03：當數(shù)字孿生遇上自動駕駛測試

除了上述應用，數(shù)字孿生在自動駕駛測試領域中也逐漸成為不可或缺的一環(huán)。

“落地應用難”是自動駕駛技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段的主要問題，如何高效可信地對自動駕駛車輛進行測試評價成為自動駕駛車輛能否安全上路的關鍵。越來越多的主動安全控制器裝配上車后，這些控制器會對車輛進行不同程度的干預，一旦出現(xiàn)錯誤就可能導致災難性后果，因此需要對控制器及整車的整體性能進行充分的測試。

在當前基于場景庫的自動駕駛測試體系中，主要有仿真測試SIL(Software in the Loop)、部件在環(huán)HIL(Hardware in the Loop)、整車在環(huán)VIL(Vehicle in the Loop)、實車場地測試、實車道路測試幾種方法。其中，SIL是純虛擬測試, HIL是在虛擬的測試環(huán)境中對真實的控制器進行測試，VIL是在實驗室內(nèi)對整車進行測試，實車場地測試是實車在測試場內(nèi)測試，實車道路測試則是實車在實際道路上測試。


目前業(yè)界普遍采用部件在環(huán)HIL的測試方法對控制器進行測試。但是，在HIL測試中只有被測控制器是真實的硬件，車輛動力學、道路、駕駛員等都是虛擬的模型，與真實汽車的車輛動力學、道路情況、駕駛員等存在偏差，測試結(jié)果的有效性難以保證。采用實車場地測試或道路測試雖然更真實，但是存在時間成本、人力成本、物力成本高昂、安全性低、測試環(huán)境可重復性低等問題。


基于場景庫的自動駕駛測試體系

自動駕駛數(shù)字孿生測試VRIL(Virtual Reality in the Loop)則是真實的車輛行駛在真實的測試場地中，同時映射到虛擬的測試環(huán)境中的整車閉環(huán)測試。

在虛擬仿真系統(tǒng)中建立環(huán)境、道路、交通參與者、測試車輛的模型及其配置的傳感器模型，虛擬傳感器在仿真環(huán)境中探測到的目標信息發(fā)送給搭載自動駕駛算法的測試車輛進行信息融合與決策控制，測試車輛在測試場地內(nèi)運行的同時，測試車輛的運動狀態(tài)信息采集并反饋給虛擬場景，從而完成虛、實狀態(tài)的同步，實現(xiàn)整個數(shù)字孿生系統(tǒng)的閉環(huán)實時仿真測試。

結(jié)合場景庫數(shù)據(jù)，可以快速的設置貼近真實交通環(huán)境的測試條件，有效提升測試的效率與真實度。

  
左：慕尼黑聯(lián)邦國防軍大學
右：清華大學蘇州汽車研究院

  
左：寶馬對ADAS功能進行數(shù)字孿生測試 
右：標致對自動泊車功能進行數(shù)字孿生測試

相比純仿真測試，VRIL采用真實的路面、真實的控制器和車輛執(zhí)行機構(gòu)，測試環(huán)境更符合實際情況，測試結(jié)果更真實可信；

相比單個控制器的硬件在環(huán)測試，VRIL可以測試車輛整體的性能與執(zhí)行效果；

相比整車在環(huán)測試(VIL)，VRIL不需要建立需要轉(zhuǎn)轂設備的測試實驗室，以較低的成本即可實現(xiàn)整車級在環(huán)測試；

相比實車場地或道路測試，VRIL可以快速便捷地重現(xiàn)危險事故場景與關鍵測試場景而不虞有碰撞的危險，測試的效率更高、安全性更高、成本也較低；

結(jié)合5G、V2X等技術(shù)，還可以對真實交通流進行數(shù)字孿生，將測試車輛置于實時的動態(tài)虛擬交通流中進行測試。

劃重點：清華汽研院自動駕駛數(shù)字孿生測試平臺

為幫助自動駕駛汽車更為便捷高效的開展測試驗證，清華大學蘇州汽車研究院對數(shù)字孿生測試的關鍵技術(shù)進行了深入的研究，基于自主研發(fā)的場景庫“鏡”打通了數(shù)字孿生測試的技術(shù)鏈路。

系統(tǒng)支持使用國內(nèi)外多款自動駕駛仿真軟件，如51SimOne、SCANeR、VTD、PreScan等，集成場景數(shù)據(jù)庫、場景管理、測試評價一體的測試工具鏈，形成了數(shù)字孿生測試服務與數(shù)字孿生測試系統(tǒng)構(gòu)建服務能力。


參考文獻:
1. 數(shù)字孿生白皮書(2019),中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院.
2. 5Trends Drive the Gartner Hype Cycle for Emerging Technologies, 2020, https://www.gartner.com.
3. 工業(yè)4.0與數(shù)字孿生, 德勤.
4. 數(shù)字孿生:打造生力產(chǎn)品,重塑客戶體驗, 埃森哲.