报告 | “区块链+数字孪生”,我们能看见怎样的未来世界?

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原题《“区块链+数字孪生”的技术优势与应用前景》

本报告由火币区块链研究院出品,报告发布时间2020年11月27日 ,作者:袁煜明,王蕊,张海东

摘要:

随着物联网与5G的快速发展,物理世界与信息世界的联系逐渐增强,而数字孪生则是实现物理域和虚拟域互联互通的有效手段。数字孪生技术的高级阶段是构建镜像世界,区块链与数字孪生的结合将为镜像世界的构建奠定底层技术基础:保证数据的不可篡改性、建立数字孪生体与物理实体一对一的映射关系、实现数字孪生体之间的交互。镜像世界从构建对象的角度可以分为包含物、人、人与物交互的三类形式,这三类形式的主要应用场景为:智能物联、市民码、智慧城市。在后疫情时代,落实疫情防控常态化工作的要求加大了对这三种场景的应用需求,是未来新技术的发展方向。

虽然理论上区块链能为数字孪生的广泛应用提供架构支持,但实际中也面临诸多困难,监管法规不完善、技术有待突破等,都是亟待解决的问题。

关键词:数字孪生;区块链;智能物联;市民码;智慧城市;镜像世界

Abstract:

With the rapiddevelopment of the Internet of Things and 5G, the connection between thephysical world and the information world has gradually increased. Digital twinsare an effective means to achieve interconnection between the physical domainand the virtual domain. In order to understand the technical concept of digitaltwins intuitively, this article firstly introduces the development process ofdigital twins technology from germination to maturity, from concept toapplication, and demonstrates its application prospects through variousexisting survey data.

After detailedanalysis of the implementation process of digital twin technology, it isbelieved that the technology itself has limitations in terms of furtherexpanding the scale of digital twins or even establishing a mirror world. Theselimitations will be resolved when combined with the blockchain system. Itscombined advantages are embodied in ensuring that data cannot be tampered with,establishing a one-to-one mapping relationship between digital twins andphysical entities, and realizing the interaction between digital twins. Thecombination of blockchain and digital twins will lay the underlying technicalfoundation for the construction of the mirror world.

Furthermore,three types of scenes constructed in the mirror world are introduced: objectsas the main body, people as the main body, and interaction between people andobjects. Although in theory, blockchain can provide architectural support forthe widespread application of digital twins, it also faces many difficulties inpractice. Imperfect regulations and technological breakthroughs are all issuesthat need to be resolved.

Finally,through the continuous improvement of policies and the gradual development oftechnology, many existing problems and even unknown difficulties will besolved. The virtual world synchronized with the physical world will begradually established under the combination of digital twins, blockchain andmore high-tech.

Keywords: digital twin, blockchain, technology integration, regulatory policy, mirror world

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一、引言

2020年4月,国家发改委、中央网信办印发《关于推进“上云用数赋智”行动 培育新经济发展实施方案》,其中多次提到了“数字孪生”这一概念。在第二节“主要方向”中提到:“支持在具备条件的行业领域和企业范围探索大数据、人工智能、云计算、数字孪生、5G、物联网和区块链等新一代数字技术应用和集成创新。”在第三节“近期工作举措”中提到:“鼓励研究机构、产业联盟举办形式多样的创新活动,围绕解决企业数字化转型所面临数字基础设施、通用软件和应用场景等难题,聚焦数字孪生体专业化分工中的难点和痛点,引导各方参与提出数字孪生的解决方案。”

数字孪生是指在信息化平台内模拟物理实体、流程或系统,类似实体系统在信息化平台中的双胞胎。简单地说,数字孪生就是创造一个现实物理实体在数字世界的拷贝。数字孪生最初的应用多集中在军事、工业制造领域。时至今日,其应用场景已经扩展到医疗、消费、公用事业等多个不同的领域当中。数字孪生的内涵也有了进一步的发展。

从技术实现上来看,数字孪生体的通用框架包含以下五个方面:用户域、数字孪生体、测量与控制实体、现实物理域,以及跨域功能实体。框架中的关系均是双向的。从数字化的对象来看,数字孪生体可以分为:组件、资产、过程、系统和系统网路。从发展阶段来看,数字孪生体可以按照成熟度划分为数化、互动、先知、先觉和共智等五个阶段。最高阶段的数字孪生体,不仅是现实世界中对象的数字化拷贝,还具备与现实世界互相通信、根据完全或不完全信息做出推断,甚至具备与其他数字孪生体进行互动、共同进化的能力。

数字孪生体的发展要求:一方面要能建立更大规模的数字孪生体,如航天器相对于发动机所需要的数字孪生体规模相对比较大;另一方面,在虚拟世界中提高数字孪生体之间的可交互性具有更高的价值。在无人驾驶技术方面,计算机系统内不只需要汽车的独立孪生体,也需要相关的路况、天气、实时动态等多方面信息,甚至需要获取其他汽车的驾驶动态。而这些显然是目前数字孪生的技术盲区。

本文旨在探讨如何建立数字孪生体之间的联系,在虚拟系统内建立一个与现实世界运行基本一致的镜像世界,并从智能物联、市民码、智慧城市这三个应用场景分析“区块链+数字孪生”的应用价值。

二、数字孪生的发展历程与技术解析

(一)数字孪生技术的产生与演化

“数字孪生”概念的萌芽最早可以追溯到二十世纪六七十年代的美国航天“阿波罗”项目[1],NASA制造完全相同的两个空间飞行器,一个用于执行飞行任务,另一个留在地球上,被称为“孪生体”,用于反映另一个飞行器的状态。此时的孪生体还停留在仿真阶段。“孪生体”具备两个显著特征:孪生体与其所反映的实体在外表、内容、性质、性能等各方面完全相同;孪生体能够真实完全地反映另一实体的运行状况。此时的孪生体侧重“仿真”性能,其表现形式仍为物理实体。

美国密歇根大学Grieves[2]教授在产品全生命周期管理课程上提出“与物理产品等价的虚拟数字化表达”的概念,当时被定义为:一个或一组特定装置的数字复制品,能够抽象表达真实装置,并能以此为基础进行真实条件或模拟条件下的测试。这一概念明晰地显示出当时对于进行高层次数据集成分析的期望,是数字孪生概念的雏形,但在当时并没有被称为“数字孪生”。2003—2005年期间被称为“镜像的空间模型”[3],2006—2010年逐渐演变为“信息镜像模型”[4]。直到2011年,Grieves教授引用了其合作者Vickers用于描述此概念的新名词“数字孪生体”[5],此后一直沿用至今。

尽管后来的这些描述概念不断变化,但其包含的组成要素与概念模型却基本保持一致,都突破了原来孪生体的物理空间限制,组成要素有物理空间、数字虚拟空间与两者之间的联接三部分,概念模型即实体产品、虚拟产品以及两个空间之间的数据信息交互接口。其基本逻辑关系如图1所示:

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而由于技术局限性,这一概念提出后,并未有实质影响。数字孪生最早被应用在航天及军工领域。2011年,出于对战斗机进行仿真的需求,美国空军实验室与NASA合作,首次提出飞行器的数字孪生体概念,“利用当前可用物理模型、更新的传感器数据和历史数据等来反映与该模型对应的飞行实体的状态”[6]。此后,数字孪生在航空领域逐渐得到了更多应用场景。

随着工业 4.0、智能制造等技术和发展战略的不断出台,数字孪生已成为一个重要的基本科技要素,其概念也逐渐完善。工业界及学术界对数字孪生的概括定义是:充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程[2]。

在数字孪生概念提出后,不同学者分别提出了对于数字孪生解决问题的多种结构方式。Boschert和Rosen[7]认为,不同于以往仿真或建模的方法,数字孪生是一种仿真决策支持工具,通过独特的集成化架构,对实体对象的工程、业务和行为描述等各个层面的数据进行仿真运行,并能够针对问题类型,选择最适当的仿真模型。Schluse和Rossmann[8]对数字孪生技术进行实验模拟,引入一个模拟数据库,可以集成各类数据源、模拟系统以及可视化模块,进行任何类型的数字模拟实验。而Schroeder等[9]则认为,数字孪生是一种模型,用于研究在不同程序间进行物理对象描述和数字对象的数据交换问题。 Negri等[10]认为,数字孪生是物理对象的数字表示,是一种数据模型,能够模拟物理对象,并对其未来行为进行预测。

在数字孪生及应用领域,国内学者也在不断进行深入研究。Zhang等[11]提出基于数字孪生的个性化产品快速定制设计方法,提出生产过程中耦合优化问题的解耦算法,作为引擎驱动数字孪生。陶飞等[12]基于数字孪生五维结构模型,提出数字孪生驱动的应用准则,探索数字孪生在产品全生命周期中的应用前景和有待突破的关键问题或技术。

(二)技术架构及发展方向

根据数字孪生体的三要素:物理空间、数字虚拟空间与两者之间的联接,数字孪生所需的底层技术支持可以概括为三方面:虚拟空间中,需要具备对基础设备、产品系统、生产环境等进行多层次全维度的仿真和建模能力;物理空间中,需要具备完整的生产系统运营管理能力、全集成自动化系统工程能力以及基于云计算、物联网和大数据进行数字孪生分析和服务的能力;连接和协同过程中,需要同时具备虚拟空间和物理空间的信息集成和闭环反馈能力[13]。数字孪生体的技术框架如图2所示。

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数字孪生可以简化设计流程,削除原型测试中的许多方面,从而解决原型测试面临的成本高昂、测试环境复杂、测试难度巨大等问题。通过使用3D仿真和人机界面,测试工程师可以对各种产品规格、加工方式及原材料等进行运行性能评估,进一步根据相关法律法规、行业标准、产品质量规范等进行设计评估,并将最终评估结果用于指导决策。因此,传统的原型产品设计评估通过数字孪生技术能够加快设计速度,使评估结果更准确有效,同时在降低成本方面也有显著效果。

数字孪生的发展可以概括为五个阶段,分别为数化阶段、互动阶段、先知阶段、先觉阶段和共智阶段。数化阶段是初级阶段,仅仅是建立真实对象的数字化模型;互动阶段的数字孪生体可以与实体进行通讯,如孪生飞行器可以接收实体飞行器的飞行数据,也可以将虚拟环境中的模拟结果发送给实体飞行器;先知阶段的数字孪生体能够基于过去与现在的完整信息和实体的明确运行机理预测未来状况,如数字孪生飞机能够预测未来一段时间气象变化对飞机飞行的不利影响,从而做出相关预警;先觉阶段的数字孪生体能够基于不完整参数与模糊机理预测未来,相比于先知阶段,其对技术要求更高,不仅要求精确的模型进行预测,也需要机器学习能力,具有较高的智能性;共智阶段数字孪生体的理想目标,即数字孪生体之间能够进行互通、共享,甚至共同进化,显然目前单纯的数字孪生技术还远远达不到共智的要求。

过去十年来,由于相关技术不断发展的推动因素,数字孪生技术的部署一直在加速。

仿真:目前的技术能够实现复杂情景的仿真模拟,从实体接受到的真实数据信息,能够在系统内进行百万次的仿真实验。另一方面,仿真的供应商也在逐渐增多,可选范围储蓄扩大。除原始的简单仿真实验外,机器学习技术也在快速发展,将为仿真带来全新的升级突破,仿真的可操作性、可信度与实用性都将大幅提高。

数据源:得益于物联网技术与大数据的不断完善,数据来源渠道更广泛,数据维度也更全面,如LIDAR(激光雷达)与FLIR(前视红外)产生的数据,通过实时监控技术采集数据,能够即时传输到数字孪生体内,通过实时数据反馈,数字孪生体能够快速纠正仿真过程出现的微小偏差,使实验评估结果更准确。

互操作性:过去十几年,由于工业通信标准的加强,操作技术之间互通性更强。同时,不同供应商为集成多类平台,也致力于推动建设统一的技术标准。这些都显著提高了数字世界与现实世界的结合能力,弱化物理空间与虚拟空间的联接障碍。

可视化:创建数字孪生体需要庞大的数据量,这会使分析问题变得复杂,也加大了从中提取有效分析结果的难度。最新的交互式3D、VR、AR和AI等技术,支持了可视化功能,通过实时信息过滤与提取,使结果分析更精准。

仪器:无论是嵌入式还是外置式的物联网设备,经过多年改良,其体积越来越小,精度越来越高,能够获得关于真实世界的信息也更细粒化、更及时、更准确,方便与虚拟模型集成。

平台:功能强大且价格低廉的计算能力、网络和存储的可用性都是数字孪生技术的关键促成要素。大量互联网公司在基于云平台、物联网和分析技术领域进行了巨额投资,推动数字孪生大趋势的形成。

(三)应用:从数字孪生体到镜像世界

简单地说,数字孪生就是创造现实物理实体在数字世界的拷贝,其重要意义体现在能够针对数字世界的数字孪生体进行进一步操作或分析。例如,一个文件的扫描副本,就可以看作这个原始文件在数字世界里的数字孪生体,通过文本解析程序可以对扫描件进行编译或修改,也能够进一步分析词频统计等。这样的操作和统计分析,显然在数字世界中更加容易进行。

稍微复杂一些的例子如早期的飞机数字孪生体。一旦有了一架飞机的数字孪生体,就可以使用它来完成一些现实世界当中难以完成或成本高昂的事情。例如,在数字世界“试飞”飞机:创建一个虚拟飞行环境,模拟极端恶劣天气,让数字孪生飞机在这样的环境当中飞行,观测飞行参数的情况,从而对飞机在极端环境下的性能做出评估。使用数字孪生体进行这样的飞行试验,能够大大降低现实实验所需的巨大成本。

时至今日,数字孪生的应用场景已经从最初的军事以及工业制造扩展到医疗、消费、公用事业等多个不同领域当中。数字孪生的内涵也有了进一步的发展。如图3所示:未来五年,数字市场规模将以38%的年复合增速增长,到2025年,市场规模将超264亿美元[14]。

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国际著名信息技术研究和顾问公司Gartner将数字孪生列为十大战略科技发展趋势之一,其调研显示:75%的物联网公司正在、或将在一年之内使用数字孪生技术,数字孪生已经成为物联网的主流技术之一[15]。长期来看,数字孪生则有非常大的想象空间。2020年,中国国际大数据产业博览会(简称“数博会”)上,《失控》作者凯利发表了以“数字孪生 镜像世界”(所谓镜像世界即是上文所提到的“共智”发展阶段。)为主题的演讲。凯利认为:“镜像世界是未来20年将出现的一次重大变革,这种变革将当今存在的数字世界(如物联网、3D模型、SLAM等)层层叠加到现实物理世界中。就像人与人之间的连接(社交媒体),以及世界上所有信息的连接(互联网)一样,镜像世界将物理世界与虚拟的数字信息连接起来,在人与计算机之间创造出一种无缝的交互体验。”

镜像世界不只是所有现实实体数字孪生体的集成,更重要的是各个数字孪生体之间的交互关系。对于有n个实体世界,需要构建n个数字孪生体,而相互之间的联系将呈现指数级增长,涉及庞大的数据量,对于以往采用中心化方式运作的数字孪生技术,将形成巨大挑战。

三、区块链为数字孪生提供可信数据平台

数字孪生体在实际构建中需要依赖大量的数据计算,因此,其对数据可信度和计算基础设施可信性具有很高的要求。截至目前,数字孪生体系都采用“中心化”的方式构建,即数字孪生体通过中心服务器输入数据并运行仿真模拟过程,其结果能被更多人认可的前提是参与各方对“中心化”系统的高度信任。数字孪生的核心是数据的集成,要实现对系统的信任,就必然要解决数据的可信性问题。

事实上,在“中心化”系统中,对数据的信任总是存在天然边界。例如,对于小型无人机,其数字孪生体所涉及的数据体量较小,对于结果误差的容忍度也较高,且结果具有可预测性,只要结果处于预测范围内,其数字孪生体很容易得到众多参与方的信任。而对于大型航天器的数字孪生体,由于结果偏差影响很大,其数据可信度需要高度加强。而对于镜像世界,所需要的数据可信度是任何“中心化”系统都无法满足的。实体数据经过可信输入数字孪生体后,需进行庞大的计算量以运行模拟过程。因此,除数据可信外,数字孪生体也需要可信的计算基础设施,即需要正确、健康进行模拟运行,确保计算基础设施不会被任何人攻击,保证计算结果准确。

区块链的优势就在于能够解决数据的可信度问题,为数字孪生构造一个可信的计算平台。区块链采用分布式账本,由各个节点保存账本副本,只有超过一半节点修改其副本才能认定为可信修改。单个或少数参与方无法通过恶意修改和干扰基础设施的方式损害计算的可信性,也就是说,区块链提供了一个可靠的计算机“硬件”。其次,区块链并不仅仅是一个技术,其技术结构本身便包含了一套行动协议与思维模式,通过一套链上参与方公认的规则、协议、流程和方法,能够使区块链系统的计算运行顺利进行,这是系统的“软件”部分。两者同时作用,构成了区块链系统下的可信计算平台。

总而言之,区块链为应对数据可信提供了一整套解决方案,而镜像世界最需要的也便是数据可信。区块链与数字孪生技术相结合,能够互相发挥各自作用,扩大数字孪生体的应用范围,为构建镜像世界提供技术土壤。以发展的眼光看,这套方案未必是唯一的,也不一定是最优的,却是最可行的方案之一,在当前这个特定的历史阶段,具有极其重要的战略价值。其结合优势主要体现在保证数据不被篡改、建立数字孪生体与物理实体一对一映射关系、实现数字孪生体之间的交互这三方面,以下将逐一介绍。

(一)在跨域功能实体中保证数据的不被篡改

数字孪生的关键在于在虚拟世界中构建实体对象,形成其数字等价物。在用数字“复制”实体的过程中,无论是组件、资产,还是过程、系统,或是系统网路,最重要的因素便是数据。正如阴阳学说,科技发展的黑暗面是存在一些人或组织企图利用科技达成自己的非法目的。目前互联网的高速发展,逐渐降低了数据搜集的门槛,同时数据采集的规范性较差,数据容易流入“别有用心之人”。数字孪生技术能够根据采集整合的数据模拟现实对象,并对现实对象的未来行为进行预测,成倍放大了数据泄露的威胁性。

数字孪生的核心是模拟,通过数字模拟取代现实高成本的实验,其最终目的是要基于模拟结果形成决策,如果数据安全性得不到有效保障,对任何采用模拟结果进行决策的参与方都有极大的威胁。于企业而言,虚假数据得出的模拟结果可能导致预测偏差,进而致使决策失误,对企业的市场竞争具有不利威胁;于个人而言,泄露个人数据将会带来诸多不必要的烦恼。而对于更为精密的航天及工程类项目,模拟结果的有效性更为重要。

数字体有别于实体的一个重要不同之处是可修改性。可修改性是数字孪生体能够进行多种复杂变化情况下仿真模拟的前提,通过调整环境参数以及物理实体本身的参数,可以获取随着环境变化或模拟实验对象状况的变化,其运行效果如何变化以获知最优设计组合。然而可修改性在一定程度上也限制了数字孪生体的应用。任何恶意修改或实验者无意数据修改都会造成数字孪生体与物理实体的偏差,造成结果发生巨大变化。因此,在使用数字孪生体进行仿真模拟时,往往存在数字世界的预期模拟偏差代价与物理世界的实验成本之间的权衡,这将限制数字孪生体的推广,对镜像世界的构建形成极大的阻碍。

此外,数字孪生体应用的更高阶段,不仅仅是一对一映射实体,还应当能够切实地反映物理实体的当前状态,同时也要完整地记录物理实体的过往信息,其过往荷载量有助于对实体的寿命预期、目前承压状况做出更合理的判断。而目前数字孪生体的信息采用中心化方式进行,这对仿真设备的信息存储容量提出了更高的要求。

区块链使用哈希指针形成链接。在区块链中,每个区块中不但包含有自身的哈希值,还包含有上一个区块的哈希值。假设B区块在A区块之后,B区块中保存有A区块的哈希值。如果A区块被篡改,那么A区块本身哈希值就会改变,改变后的哈希值与B区块中保存的A区块篡改前的哈希值对应不上。这样,篡改就会被发现,从而不会被认可。区块链的链接方式保证了链上的数据难以被篡改。将数字孪生体的所有数据使用区块链进行保存,能够保证孪生体数据的真实性,确保结果有效可靠。同时,区块链使用分布式系统,数据储存于不同节点的各个副本中,能够缓解中心化系统对于数据储存的压力,也能有效保留物理实体过去运行的信息。

(二)建立数字孪生体与物理实体的一对一映射关系

数字体有别于实体的另一个不同之处在于其可复制性。一个实体的文件,一个物理实体经过数字化后就可以被无限复制。可复制性是数字体的便利之处,然而这也导致了物理实体与数字世界孪生体之间无法维持一对一的映射关系,往往是一对多。对于扫描文件、飞行器等大大小小的仿真实验,无限复制能够以相对低廉的成本进行多次试验,而对于个人财产、金钱类的实体,就不能简单地将其数字化后就加以使用。否则,所有人都可以无限复制自己的钱,那么所谓的钱也将失去其作用。在数字世界中,建立一对多的关系非常容易,而建立一对一的关系就比较困难了。

对于这类具有价值的实体,区块链系统通常采用通证(Token)进行价值治理,通过Token实现资产上链。这里的资产既可指代实物资产,也可指代数字资产,“链”即区块链。资产上链是将资产的所有权映射在区块链上,与区块链数字凭证(如Token)形成一对一的对应关系。理论上,任何资产都能够上链,包括房产、汽车、金融产品、知识产权、对某些资源的订阅访问权等,上链后形成链上凭证。数字凭证的持有者身份即对应资产的所有权,目前在我国,基于区块链的版权存证已在司法实践中获得法律认可。区块链有去中心化、点对点网络、分布式账本、时间戳、信息透明且不可篡改等特点。利用区块链的这些特性,资产上链可以降低信任成本,简化交易流程,提升资产的流动性。

区块链的通证可以实现物理实体与数字体之间的一对一关系,防止有价值的数字体被无限复制。例如,以太坊的ERC-721标准规定了每一个Token都有唯一的Token ID,即每一个Token都是独一无二的。使用ERC-721标准创造的数字孪生体就可以具有与物理实体一对一的唯一性。

区块链的另一个优势在于,在实现物理实体与孪生体意义对应时,并没有完全限制数字孪生体可复制性的优势,利用通证进行实体识别与所有权对应,而这个带有所属权的孪生体又可以在数字世界中进行多次模拟试验,使资产、金钱这类实体也可以形成链上对应孪生体,构建更完备的链上数字世界。

(三)在数字孪生发展的高级阶段实现数字孪生体之间的交互

简而言之,数字孪生“终极目标”是建立一个和现实世界对应的数字世界,即镜像世界,不仅限于记录过去的信息,更能模拟未来的环境变化及物理实体本身的变化,形成虚拟世界的“生态”。在这种生态下,数字体之间需要进行多重交互,其中必然涉及大量信息的传递和存储。此时,设定众多数字孪生体的个体运行机理、传递数字孪生体与物理实体之间的数据参数、设计数字体之间多种交互方式的内容,已难以通过中心化方式完成。

区块链支持分布式系统,每个节点保存有整个系统运行的信息副本,可以对自己保有的副本进行编辑修改,加入自己部分的孪生体相关参数,通过系统的共识机制,进而更新整个系统对于该孪生体的参数。分布式系统分散了数字孪生体进行交互的巨大工作量,通过众多节点的配合,能够作为数字孪生体之间信息通讯的媒介,创建完备的虚拟世界。

四、数字孪生技术的应用场景分析

数字孪生技术的高级阶段是构建镜像世界,这不仅仅在技术上有很强的挑战性,其应用思路也需要不断调整。镜像世界从构建对象的角度可以分为包含人、物、以及人与物交互的三类形式。

(一)落地“智能物联”

“智能物联”是以物为主体,对现实中存在的大量实物建立数字孪生体,通过区块链连接保存这些孪生体的数据。当前大多数数字孪生体都是以实物作为物理世界主体,通过虚拟世界实现保存数据或仿真模拟试验的目的,如飞行器孪生体等,其物理对象均为物。由于物体自身无法自主上传相关信息,需要使用传感器设备精确测量所需数据,再联合物联网实现信息上链,构建镜像世界。例如,可以构建汽车的数字孪生体,记录汽车的所有相关信息,解决二手车买卖市场中存在的“信息不对称”问题。从汽车生产环节开始,以汽车的主要零部件为对象,结合物联网技术,为所有汽车构建组件级数字孪生体。随后,在汽车的出厂使用过程中,汽车的物联网设备能实时将汽车的相关信息写入数字孪生体中。与此同时,数字孪生体的所有记录都保存在区块链系统中。数字孪生、区块链、物联网技术高度配合,建立汽车为主体的“镜像世界”。从数字孪生的技术角度上看,汽车的主要零部件即为此应用框架的现实物理域;测量与控制实体用来检测并跟踪主要零部件的状态变化;在进行二手车市场交易前,消费者可以通过用户域中的应用程序在区块链上查询一辆车中所有相关零部件的历史状态信息,从而可以知道哪些零部件经历过维修、更换,还可以知道所有零部件的真实的使用情况(比如行驶里程等)。

在另一个冷链物流场景中,“区块链+数字孪生”技术可以更好地进行监控。具体而言,为每个运输物品配备传感器设备,此设备可以感知物品所处的环境信息,如温度、湿度、位置等,利用物联网技术连接传感器与区块链系统,在虚拟世界中建立运输物品的数字孪生体。在物品运送到目的前(甚至在物品被使用前),定时通过传感器更新环境信息。所有环境信息的变动均被保存在区块链上,可供人们随时查看。这样,在物品抵达用户手中时,用户可以通过数字孪生体查看该物品的所有冷链物流信息,确保该物品的冷链过程没有问题。

以物理实体为主体建立数字孪生体,进而形成镜像世界的应用场景还有很多,如商品的防伪溯源、智能供应链追踪、农产品安全保证等。2015年,区块链技术开发服务平台Everledger在伦敦创立,为每颗钻石建立独特数字孪生体,记录用于识别钻石的40个元数据(钻石序列号、形状、切割风格、大小、克拉数等)及其交易历史。2019年6月25日,在全国食品安全宣传周追溯体系建设研讨会上,沃尔玛(中国)正式宣布将启动区块链可追溯平台的建设,该平台能够对沃尔玛的部分商品追溯生产运输过程。区块链与物联网技术的不断发展,以及传感器设备的逐步精进,都会为“智能物联”的实现提供动力。

(二)创建“市民码”

不但物品可以有相应的数字孪生体,人也可以。“市民码”的创建,就是为每个人构建数字孪生体,而“市民码”则比物体数字孪生体的难度更大。一方面,每个人所涉及的信息比物品的信息要复杂得多,如教育、医疗、身份、行程、消费等各个维度。另一方面,物体通过传感器能够采集构建数字孪生体的全部信息,而人的信息却无法简单采集。

人的数字孪生体则依赖于自己对信息的更新、多方对信息的审核认证以及大数据分析结果。例如,身份信息由用户自己创建并进行实名认证,由身份认证方进行审核确保身份真实;关于健康状况的信息由医疗机构提供,并根据体检结果与病史记录进行更新,此外健康手环等设备也可以进行适当的数据补充;消费行为会体现财富水平、消费地点、消费类型等信息;教育认证机构则能提供学历证明。

“市民码”通过数字化的形式进行记录,并在需要时进行查看验证。在人才招聘过程中,可以快速展示学历、健康等;在就医过程中,能够调取过往病史。信息的高效畅通,能有效提高社会运行的效率,也能加强社会信任。除保存信息外,数字孪生体的另一个重要作用在于虚拟世界的模拟运行,能对未来一段时间的事件进行预测。就健康而言,大数据技术能够结合体验结果及每天的手环检测结果监控人的身体状态,对有慢性病的人群而言,能够及时提醒身体指标的异常。“市民码”则会根据孪生体的数据实时更新,对于超预期的事件进行警报提醒。

在创建和维护个人数字孪生体的过程中,区块链技术有着不可替代的作用。首先,区块链的唯一性可以保证个人数字孪生体是唯一的,从而不至于出现一个人对应多个数字孪生体的混乱局面。其次,区块链的防篡改性可以保证数字孪生体中的数据真实有效。从理论上说,一个人从出生(甚至从胎儿时期)起所产生的信息就可以数字化、上链,随着一个人的成长,链上信息也随之不断扩展。在人生命结束之时,数字孪生体的信息停止更新,但历史记录也并不会由此消失。最后,区块链的非对称加密技术可以为个人提供较好的隐私安全保护。区块链一方面可以保障用户隐私不会被其他任何人随意使用,使用权都在用户自己手上,而非平台手中;另一方面,在交易过程中,双方的隐私都可以得到很好的加密处理,外人对其交易行为的了解只局限于过程层面,双方的信息并不公开[16]。

虽然个人数字孪生体的技术难度较大,但却已经在现实生活中部分存在了。2020年,新冠肺炎疫情期间,许多公共场所均要求进入时出示“健康码”。“健康码”通过获取使用者的定位,通过大数据判断使用者的健康程度,以红、黄、绿三种颜色来对人们进行分类管理。可以说,“健康码”就是将一个人的位置信息、出行信息及健康状况进行了数字化。推而广之,如果提取更多的有关一个人的其他信息,就可以创建个人数字孪生体。例如,杭州正在不断升级“健康码”功能,将“健康码”拓展至更广泛的公共事业领域,使“健康码”升级为“市民码”。

(三)构建“智慧城市”

智慧城市是指以城市的生命体属性为基本视角,运用区块链、人工智能、数字孪生、大数据、物联网、云计算等新一代技术手段,一方面提高市民生活水平和质量,另一方面提升城市公共管理的运行效率和服务,从而能够实现科学和可持续发展的信息化城市形态。智慧城市涉及到人们在城市生产和生活的方方面面,覆盖智慧政务、智慧交通、智慧医疗、智慧教育、智慧环保、智慧住房、智慧能源和智慧物流等多维度、多层次、多领域的应用场景。智慧城市的建设,涉及到城市中多方面要素的数字化,在这个过程当中,“区块链+数字孪生”可以发挥重要的作用。城市中的多种元素都通过物联网设备建立对应虚拟数字孪生体,众多数字孪生体之间以现实实体间的交互方式建立联系,构建具有完备要素的虚拟城市。基于此虚拟城市,可以开发多类应用。

“无人驾驶”就可以认为是基于智慧城市开发的应用之一。城市中的所有车辆、道路、环境、天气通过物联网设备同步运行数据至区块链网络,建立各自的数字孪生体,通过区块链网络进行集成,构成镜像城市,使无人驾驶汽车能够获取现实世界中的全部信息,实现安全道路行驶。此外,也能完善司法政务、城市微电网、能源管控等多方面智能应用。

全国各地区均加快智慧城市的建设步伐。2017年6月,广东佛山禅城区政府发布全国首个政务应用智慧城市,构建真实信用体系。智慧城市的底层技术采用区块链技术,打通不同部门间的“数据孤岛”,形成跨平台、跨部门、跨地区的城市数据,实现城市数据的协同互联。智慧城市的构建依赖于现实城市中的数据。目前,禅城区的区块链政务应用项目包括IMI身份认证、公证、食品安全和社区矫正等。

2019年底,雄安新区首席信息官张强表示,雄安智能城市与物理城市同步进入大规模开工建设阶段,标志着雄安数字孪生城的建设将进入快车道。2020年3月,雄安新区两项智慧城市标准《智慧城市数字孪生系统安全机制》和《智慧社区安全机制》获国际标准立项。除雄安新区外,包括北京通州副中心、南京江北新区、重庆两江、贵州贵阳等众多城市和地区在内的“数字孪生城市”基础设施建设和落地应用已经如火如荼地推进。

五、“区块链+数字孪生”面临的挑战

区块链技术为数字孪生赋能,能够为解决许多中心化系统难以解决的难题提供有效的思路。然而,就目前状况而言,在区块链+数字孪生技术的发展之路上,依然在监管政策、技术成熟等方面存在一定的阻碍。

(一)监管法规有待进一步完善

区块链是一项新兴技术,各国对区块链的监管也尚在探索之中。为规范区块链信息服务活动、促进区块链技术及相关服务的健康发展,中国于2019年1月出台了首部规范区块链技术应用的法规——《区块链信息服务管理规定》(下文简称《规定》)。《规定》给行业的发展划定了框架,但在一些具体的执行层面还需要进一步细化。例如,《规定》第六条要求区块链信息服务提供者具备与其服务相适应的技术条件,且技术方案符合国家相关标准规范,但对“相适应的技术条件”“国家相关标准规范”没有明确指向。又如,《规定》第九条要求区块链信息服务提供者对上线新产品、新应用、新功能进行安全评估,但评估的标准和流程没有提及。再如,《规定》在备案管理方面要求甚多,但没有给出备案审核的标准。可见,对区块链单个技术进行监管的体系尚未建立完善。

数字孪生技术虽萌芽较早,但在中国发展时间较短,当前的国家政策多处在宏观鼓励技术发展的阶段,《关于推进“上云用数赋智”行动 培育新经济发展实施方案》中提到:“支持在具备条件的行业领域和企业范围探索大数据、人工智能、云计算、数字孪生、物联网和区块链等新一代数字技术应用和集成创新。”而对于数字孪生技术的监管,鲜有在政策文件中提到。

区块链+数字孪生不仅涉及两种技术本身,也会涉及大量的企业、个人、社会的数据,甚至航天航空、军事装备等信息数据,若使用不慎则会产生较大安全隐患。对于合法合规使用区块链与数字孪生体,使之真正产生社会效益,这有待监管法规的进一步完善。

(二)技术有待进一步突破

理论上,利用区块链与数字孪生技术构建镜像世界的想法确实非常吸引人。例如,能够完整保存过去世界的信息,也能预测未来的趋势。然而区块链技术本身发展不够成熟。

第一,区块链的分布式架构需要共识机制来确保数据的最终一致性,相对中心化架构来说,共识机制对资源的消耗是不容忽视的。此外,区块链是一种只能附加、不能删除的数据存储技术。随着时间推移,数字孪生体承载的数据量不断增长,区块链所需要的存储空间逐步膨胀。共识所需的大量资源消耗与数据量占用的存储空间将会造成区块链处理的滞后效应,这种延时反应引起的反馈时延、报警时延,在时延敏感的数字孪生虚拟世界运行上需要快速改进。

第二,隐私保护方面,由于虚拟世界涉及的数据量庞大,其中不少信息应当存在查看权限限制。认证用户身份的常用技术为零知识证明,用于保证用户在授权其他应用身份时是匿名的,无需透露身份信息。零知识证明本身是一种还未成熟的技术,且其需要依靠双方的多次交互来进行,必然会导致效率的低下。而未来如果要使用安全多方计算,则对网络资源的依靠会更加严重[17]。因此,如何在区块链系统中快速达成共识、如何在压缩储存空间占用与维持数据不可篡改性两者之间进行合理权衡、如何保护虚拟世界的隐私安全,都有待考虑。随着5G上线,将能够进一步扩宽网络的带宽,一定程度上能改善这些问题,但从根本上解决上述问题,需要进一步的技术发展推进。

六、前景与展望

区块链技术与数字孪生相结合,可以有效提高数字孪生体的数据可信性,建立高效率的工作和交互体系,目前,“区块链+数字孪生”所构建的微型镜像世界可在经济生活中的多个领域发挥不可替代的作用。未来世界,区块链将使数字孪生发挥更大的作用,使数字孪生体全面覆盖物理世界。物理世界中的每个实体都会有一个芯片,芯片采集实体的所有信息,并在虚拟数字世界中进行数字化复制,每个实体都存在虚拟复制品,即数字孪生体。大量数字孪生体进行集成,如同将现实世界的一面镜子嵌入到电脑中,通过它便能看到这个世界的全貌。

第一,生活便利。构建镜像世界可以为现实生活提供极大便利。结合AR技术在现实世界中叠加虚拟信息,反过来也能增强现实世界。这种增强可以来自视觉、听觉,甚至触觉,其目的主要是在感官上让现实的世界和虚拟的世界融合在一起。镜像世界里,像Siri和Alexa这样的助理将有一个具象化形象,可以与人类产生互动。它们将来不仅能够听见人类的声音,还能看到人类的虚拟化身,捕捉到脸部、手臂之类的动作变化、细微表情和情绪波动。此外,镜像世界也更适合机器人和无人车的大规模普及,人类看到的世界,也是机器看到的世界。

第二,提升人类感知。区块链+数字孪生的另一大优势在于各参与方可以随时随地组织数据,可以将有关建筑物的数据放在建筑物本身所处的地方,一切都是三维的。任何人都可以透过计算机窗口搜索镜像世界里的任何东西,就像是电脑里的文件夹一样,扩大可见视野,提升对三维世界的感知。

数字孪生所应用的技术距离完全成熟还有很长的路要走,区块链与数字孪生均处在发展阶段,而两者的结合还需要攻克一些技术难关才能得以实现。虽然在这个过程中,需要面临诸多挑战,但可以确信,数字孪生在区块链的构建系统下,能够获得深入应用,并在未来某一天实现“共智”,建立镜像世界。

参考文献

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文章来源:报告 | “区块链+数字孪生”,我们能看见怎样的未来世界?

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