看似從科幻小說中走出的數(shù)字孿生概念，如今已經(jīng)被引入眾多商業(yè)解決方案，與人工智能、數(shù)據(jù)與數(shù)字化等技術共同塑造網(wǎng)絡新時代的面貌。在本文中，我們將具體探討數(shù)字孿生的種種可能性，并著重分析現(xiàn)已實踐落地的三個用例。
最近幾十年來，我們對于設備的功能預期可謂一路走高。手機不再單純用于接打電話和收發(fā)短信，汽車需要安全可靠地自主行駛在道路之上——在5G與物聯(lián)網(wǎng)的支持下，各行各業(yè)乃至一座座城市都在智能化與互聯(lián)化的方向上一路狂奔。而我們的未來，也將圍繞這樣一個高度復雜、相互連通的網(wǎng)絡與數(shù)字生態(tài)逐步構建而成。
而每臺設備持續(xù)生成的大量實時數(shù)據(jù)，也要求我們充分運用人工智能（AI）與機器學習（ML）技術靈活管理網(wǎng)絡、保證數(shù)據(jù)通道高效且可持續(xù)地穩(wěn)定運行。然而，AI與ML不可能憑空而來，特別是訓練階段更是困難重重。那么，我們要如何安全訓練ML算法，確保在無需停機的前提下實時動態(tài)學習并采取響應行動？數(shù)字孿生給我們帶來了新的答案。
在數(shù)字孿生中準確表達實際站點
數(shù)字孿生是什么？
數(shù)字孿生的本質，就是一套基于現(xiàn)實世界中各類資產(chǎn)、信息及流程的軟件表達副本。這套副本立足于云端，并由此開辟出一個充滿可能性的虛擬世界——這是一個安全的模擬測試環(huán)境，大家可以在其中訓練及播放“假設”場景、考查其是否匹配預期，而且整個過程不會對現(xiàn)實對象造成任何影響。
探索數(shù)字孿生用例
看似從科幻小說中走出的數(shù)字孿生概念，如今已經(jīng)被引入眾多商業(yè)解決方案，配合人工智能、數(shù)據(jù)與數(shù)字化等技術塑造網(wǎng)絡新時代的面貌。在本文中，我們將經(jīng)由三個實踐落地的數(shù)字孿生用例，探討這項技術如何為未來網(wǎng)絡的優(yōu)化、自動化與設計開啟新的大門。
用例一——網(wǎng)絡數(shù)字孿生：5G網(wǎng)絡的自動化安全方法網(wǎng)絡數(shù)字孿生模擬的是我們身邊看不見、摸不著的網(wǎng)絡體系：信號、覆蓋范圍、干擾與流通等，也包括不同頻段間的用戶轉移。數(shù)字孿生帶來了一種安全優(yōu)化方法，對輻射功率等敏感參數(shù)加以嚴格保護。
在瑞士，Swisscom運行著一套在2021年Umlaut國際基準排名中得分最高的網(wǎng)絡。但在輻射功率方面，Swisscom還需要滿足一系列更為嚴格的最新規(guī)定。根據(jù)法規(guī)要求，如果不改變現(xiàn)有基礎設施，Swisscom就只能部署少量新的低功率5G站點，這也直接導致4G與5G新站點在低頻段的覆蓋效果大打折扣。
那么，我們如何才能在不影響覆蓋范圍或用戶體驗的前提下，成功降低傳輸功率、為新的頻段層騰出空間？
目前已知的最佳方案就是強化學習（RL）——這是機器學習的一種方法，AI代理能夠通過觀察狀態(tài)及持續(xù)迭代與環(huán)境保持交互，由此逐漸收斂以逐步完成長期目標。我們的長期目標就是降低傳輸效率，但卻不可能讓AI代理在實際網(wǎng)絡中持續(xù)調整輻射功率，這不僅有損用戶體驗、同時也違反了企業(yè)致力于滿足的規(guī)定。
為此，專家們開發(fā)出一套精確的網(wǎng)絡數(shù)字孿生模型，針對覆蓋范圍、干擾及數(shù)據(jù)流通（包括跨頻段用戶切換）進行建模，確保RL代理始終擁有一個能夠靈活操作、從中學習的安全環(huán)境。要建立這樣一套精準的模型，深厚的領域知識至關重要。此外，專家們還需要在準確度與詳盡度之間找到平衡，同時確保孿生副本不會因太過復雜而無法在商業(yè)場景下擴展運行。
圖一：以網(wǎng)絡數(shù)字孿生為基礎，建立起強化學習驅動優(yōu)化型安全應用經(jīng)過數(shù)千輪學習，專家們最終獲得了一組可靠建議。據(jù)此對當?shù)馗餍^(qū)進行功率調整之后，使得發(fā)射總功率降低20%，基站功耗也降低了3.4%。更有趣的是，信號的覆蓋范圍沒有受到任何影響，用戶體驗反而有所改善——下載速度提高了5%、上傳速度更是提高達30%。
事實證明，網(wǎng)絡傳輸環(huán)境就如同在熱鬧的餐廳里談話一樣——大喊大叫雖然能讓我們的聲音傳得更遠，但如果每個人都能放低聲音，交流體驗反而會顯著提升。
用例二——站點數(shù)字孿生：站點與設備管理的新時代站點數(shù)字孿生是對可見網(wǎng)絡進行建模——包括物理站點中的信號塔、設備及其他相關資產(chǎn)。隨著5G技術的加速發(fā)展，我們需要保證網(wǎng)絡能夠有效擴展、易于維護。但實際上，現(xiàn)場設備的生命周期管理還遠不夠敏捷。管理員往往需要參考20多份文檔才能搞清單一物理站點中的已安裝設備——包括CAD設計與圖像、電子表格、產(chǎn)品數(shù)據(jù)表等等。這樣的手動操作過程緩慢且極易出錯，而且往往迫使工作人員不斷爬上爬下、工作風險大大增加。
圖二：站點數(shù)字孿生
通過使用數(shù)字孿生技術，專家們將祝宜家出口的廚房規(guī)劃程序引入電信行業(yè)，實現(xiàn)了對全數(shù)字化場景及設備的設計與管理。企業(yè)為各個站點建立起數(shù)字孿生副本，并使用激光掃描儀（LiDAR）、攝像頭與無人機等捕捉到精確的3D模型。孿生副本中包含生命周期管理所必需的各類關鍵元數(shù)據(jù)，例如設備重量、功率、組件間兼容性等信息。
專家們還開發(fā)出一套包含40000個組件的強大工具庫，其中每個組件都能輕松“拖放”到位，由此將設計時間縮短50%，同時將維護及返工需求由10%降低至0.1%。由于返工比例大降、維護工程師不必反復爬上爬下，企業(yè)獲得了更安全、更可預測、更可持續(xù)的運營能力。
用例三——用戶數(shù)字孿生：將5G帶入
除了網(wǎng)絡數(shù)字孿生與站點數(shù)字孿生之外，Swisscom的數(shù)字孿生三重奏還缺少最關鍵的環(huán)——訂閱用戶。為此，公司研究團隊與英偉達Omniverse團隊開展合作，將游戲與電影CGI技術引入電信行業(yè)，利用Unity游戲引擎對用戶進行實時建模。
這種顛覆性的技術交叉推動著企業(yè)內部的網(wǎng)絡模型演變，也讓現(xiàn)實世界中的測量能力獲得了前所未有的準確性保障。從本質上講，Swisscom決定將3D游戲技術及其計算復雜度極高的物理精確模型作為基準，用于部署5G信號傳播模型。
這項技術讓企業(yè)能夠對復雜的城市及室內幾何形態(tài)進行高分辨率建模，具體涵蓋橋梁、隧道、灌木叢等各類可能影響射頻傳播的目標，同時也兼顧到用戶移動行為與動態(tài)場景特征（例如乘車場景）。此外，Omniverse還使用Pixar工作室提供的通用場景描述格式實現(xiàn)了詳盡城市網(wǎng)格與地理數(shù)據(jù)的重用性，有效解決了高精度建模環(huán)境下的一大核心挑戰(zhàn)。
毫無疑問，未來的網(wǎng)絡環(huán)境只會變得更加復雜，因此模型必須有能力提供廣泛的可視化支持。英偉達Omniverse Create將最先進的光線追蹤引擎與交互式工具集成起來，幫助電信企業(yè)操縱并探索復雜場景、并在其中充分測試電信產(chǎn)品與變更影響。這，也代表著新一代產(chǎn)品開發(fā)的基本形式。
技術擁有著光明的未來，我們也期待探索這片充滿可能性的虛擬世界。
