“數字孿生”在廣播電視系統中的應用研究與探討

張輝

（中央廣播電視總臺，北京 100859）

1 引言

近年來，數字經濟已成為全球經濟發展的熱點，各國紛紛提出數字經濟發展戰略。自2020年11月工信部牽頭發布《數字孿生應用白皮書》，數字孿生技術與國民經濟各產業融合不斷深化，有力地推動了各產業向數字化、網絡化、智能化方向發展，并且已成為我國經濟社會發展變革的強大動力［1］。2021年9月國際電信聯盟電信標準化部（International Telecommunication Union for Telecommunication standardization sector，ITU-T）在面向未來網絡的Network2030焦點組的技術報告中將數字孿生技術作為未來網絡12個代表性用例之一。國家《“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要》提出，要“充分發揮海量數據和豐富應用場景優勢，促進數字技術和實體經濟深度融合，賦能傳統產業轉型升級，催生新產業、新業態、新模式，不斷做強做優做大我國數字經濟?！?/p>

在國家和主管部門的大力支持和推動下，構建“智慧廣電”的全媒體傳播格局是廣電媒體融合發展的重中之重，數字孿生技術將促進“智慧廣電”全媒體傳播格局的發展與演變。目前，數字孿生技術在廣播電視領域中的應用處于初期階段，存在很大的挖掘空間。近年來，在中央廣播電視總臺積極推進“思想+藝術+技術”創新融合，構建“5G+4K/8K+AI”超高清視、音頻產業戰略格局下，有必要緊跟時代、新技術、新發展步伐，深入研究數字孿生技術的內在本質及關鍵技術點，以便更好探索應用于新時代融合新媒體形勢下的“智慧廣電”系統。

2 數字孿生的基本概念及技術

2.1 數字孿生基本概念

數字孿生（digital twin），又稱“數字化映射”、“數字化雙胞胎”或“數字化鏡像”，其最初的概念是Michael Grieves教授在美國密歇根大學產品全生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）課程上首次提出［2］，以物理實體、虛擬實體以及兩者之間的連接關系為基本三要素，圖1為數字孿生基礎模型。

圖1 數字孿生體的基礎模型

由于當時技術和認知上的局限性，最初的數字孿生技術并未得到人們足夠的認同與重視。2011—2012年前后，由美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）和美國空軍研究實驗室（Air Force Research Laboratory，AFRL）共同提出了一系列關于數字孿生技術在航天領域的應用場景，并將數字孿生總體歸納為一種采用數字化方式創建物理實體的虛擬實體，充分利用物理實體模型、數據采集、運行歷史數據等，集成多學科、多物理、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成數字化映射，從而反映相對應的物理實體的全生命周期過程［3］。2017年數字孿生相關研究呈現井噴式增長，眾多學者將數字孿生的理念引入了工業制造、城市建設以及智慧醫療、智能電網甚至智慧農牧業等眾多領域，美國佐治亞理工大學首次提出數字孿生城市［4］。2018年之后，ISO（International Organization for Standardization）、IEC（International Electrotechnical Commission）、IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）三大標準化組織開始著手數字孿生相關標準化工作。國際電信聯盟電信標準化部（ITU-T）在面向未來網絡的Network2030焦點組的技術報告中連續三次將數字孿生技術作為未來網絡12個代表性用例之一［5］。

我國對數字孿生技術的推廣起初由北京航空航天大學的數字孿生學者陶飛教授發起，他將數字孿生概念引入到制造車間，提出了物理實體、虛擬實體、應用服務、孿生數據和交互連接組成的五維數字孿生模型［6-7］。2018年中國信通院發布了《數字孿生城市研究報告》；2020年11月工信部牽頭發布《數字孿生應用白皮書》；2021年3月，全國信標委智慧城市工作組推動城市數字孿生標準體系和關鍵標準研究，推動標準試驗驗證與應用示范工作；2023年《中國數字孿生行業研究報告》將數字孿生之于智慧城市、智慧制造等關鍵領域的應用全景圖，具體問題具體分析，剖析其攻關技術落地痛、難點及其廣泛的應用價值，對中國數字孿生發展前景進行全面的展望［8］。

近年我國已深入進行了數字孿生技術領域的論證、立法和標準體系建設，積極爭取數字孿生技術領域的國際話語權。在傳統廣播電視系統領域中，數字孿生理念的初期應用也僅只限于構建物理對象的簡化、精準版的數字化映射以及對整個系統的示意圖式的可視化展示，只為達到系統整體運行狀態的基礎監控管理和可視化需求，并未實現數據整合與分析來模擬、驗證、預測、控制系統實體設備全生命周期過程，也未真正形成智能閉環決策來輔助系統的生產與安全運行。

2.2 數字孿生關鍵技術

數字孿生技術體系架構從技術研究的通用特性上可分為基礎支撐層、虛實數據交互層、業務應用層［9］，如圖2所示。

圖2 數字孿生通用技術架構

以物聯網、BIM（Building Information Modeling）、GIS（Geographic Information System）、網絡安全互聯、大數據、人工智能、計算機輔助設計等技術手段，實現物理實體對象的精細化建模。通過虛擬計算能力、數據存儲能力、安全互聯技術進行高精度的數據采集與處理，并保證虛實之間數據實時交互的高速率以及全生命周期數據存儲管理的可靠性，建立數據即服務的理念，實現信息與物理融合網絡互聯互通，以多維虛擬模擬為引擎，數據為驅動力，動態實時交互連接，達到對系統資源管理、預測診斷、智能決策、優化控制、可視交互等業務服務之間的高效協同，形成數字孿生體協同一體化交互閉環模型，如圖3所示。

圖3 數字孿生體協同交互閉環模型

數字孿生的關鍵技術可以從以下幾方面闡述。

2.2.1 數字化建模技術

數字化建模是數字化孿生對物理空間的實體及基礎環境進行精準、精細化的數字化建模及仿真的基礎，在這個過程中需要以測繪掃描、幾何建模、網格建模、邏輯建模、流程建模、組織建模等技術手段為基礎，將物理對象數字化，構建出相應的虛擬化模型，表達為計算機和網絡所能識別的數字模型，可被計算機感知、識別，在系統層級實現物理實體在虛擬世界的數字化交付，其主要方法有基于特征的三維數字建模以及基于BIM模型、三維GIS建模和Modelica數字化建模的仿真方法等。

2.2.2 數據采集存儲技術

為實現數字孿生虛實交互與協同，可以采用爬蟲技術、數據挖掘技術、傳感器技術、日志分析技術以及人工采集方式等技術手段，以高傳輸、高質量的網絡傳輸設備和網絡結構來保證數據采集的實時性、準確性、可靠性。同時為獲取實時可靠的數據讀寫性能，對于數據的存儲管理，也需借助高算力并行處理技術，以集中式或分布式的冗余存儲，優化數據結構，創建全生命周期的數據管理模式，實現數據的高度集成、協調、共享。

2.2.3 數據模型融合技術

數據作為數字孿生技術的基石，數據越完備越準確，數據模型的豐富性和準確性就越高。然而，實際系統中往往產生的數據體量巨大、數據類型繁多，如何對海量的數據進行清洗、分析、挖掘、過濾等，提取其有效的數據，同時基于有效數據信息對虛擬模型進行實時或異步更新、修正與優化，實現對現實世界的物理實體進行全周期的動態監控評估。這些的建立都需結合計算機算力、大數據分析、人工智能、深度學習算法、神經網絡、強化學習等數據處理分析技術，以達到數據與模型的高度融合。

2.2.4 網絡安全技術

數字孿生體系中虛擬對象與物理實體之間的交互是建立在網絡數據傳輸的基礎之上，必須采用行之有效的網絡安全互聯技術，避免虛實交互過程中存在的安全漏洞，以達到虛擬模型與物理網絡之間的數據交互安全防護，從而保證系統體系的保密性、完整性、可用性。

2.2.5 人機交互技術

數據交互是第一位的，動態實時交互將物理實體、虛擬模型、服務系統連接為一個有機的整體，良好的可視化交互有助于增強虛擬空間與現實世界的交互體驗，進一步增強人機交互的沉浸感。虛擬現實（Virtual Reality，VR）、增強現實（Augmented Reality，AR）、混合現實（Mixed Reality，MR）技術等沉浸式的人機交互技術，使得數字化空間的交互不在局限于傳統的屏幕呈現方式，反而更加直觀的使數字化虛擬空間體驗更貼近物理現實世界。

3 數字孿生在廣播電視中的應用挑戰與研究

信息化、網絡化、IP化技術的快速大力發展推動了廣電媒體融合的發展步伐。傳統廣電的視、音頻專業設備逐漸被大多數通用IT服務器設備所替代，廣電系統在數字化、網絡化、IP化、智能化的建設進程中也日益加速。數字孿生技術發展的引入，將進一步加速廣播電視領域的數字化快速發展與蛻變，將有助于將廣電系統的物理實體、虛擬模型、服務連接為一個有機的整體，重構人、事、物在數字廣電的協同一體化發展。

3.1 數字孿生在廣播電視中的應用挑戰

雖然數字孿生可以為廣電行業發展提升效率和增加有效價值，但數字孿生體系發展也有一定的難點和挑戰。

3.1.1 行業技術標準未建立與人員儲備不足

我國各行各業已開始深入的進行數字孿生技術領域的論證、立法和標準體系建設，積極爭取數字孿生技術領域的國際話語權，但至今未形成統一有效的行業內的統一標準化體系。對于任何一個行業的發展，新技術的應用引入都將對行業的研發、生產、應用等流程進行升級改造，需要體系團隊人員的構建與資本的投入，以及人員對專業知識的儲備。對于廣大廣電從業人員，目前仍停留在傳統的技術架構模式下進行運營運維，這就要求及時轉變觀念，在網絡、信息、數字化方面的認知上與時俱進，全面提升個人技術技能以匹配新技術的發展需求。

3.1.2 對支撐技術以及建模精度要求高

數字孿生技術對實時計算處理芯片、計算硬件、顯示技術等都要求具有強大的高性能計算處理能力，才能保證建模高精度、數據采集全面性、可視交互實時性。而這在廣電應用中一方面先進技術在廣電系統中推廣不夠深入，另一方面廣電系統內應用的大多數芯片、核心硬件、核心軟件在行業領域仍是嚴重依賴于國外產品設備，造成廣電行業系統的技術支撐能力不足，各個子系統環節相對獨立，并未形成一個閉環式管理體系。

3.1.3 數據采集處理準確性及安全性

數字孿生應用可以幫助廣電系統消除“信息孤島”，但是數字孿生需要的大量數據，廣電系統內采集到的原始數據涉及面廣、復雜度高，可能存在數據質量不高或不完整，導致數據應用的準確性受到影響，那么就需要在數據采集處理階段進行大量標準化和清洗；另外，在廣電系統交互過程中可能涉及大量的敏感數據，如何將采集的原始數據定義歸化為有效率、有價值的數據，以及如何保障數據的安全性是數字孿生在廣電復雜體系中面臨的應用問題及挑戰。

3.2 數字孿生在廣播電視中的應用研究

通過數字孿生技術的引入，將進一步加速廣播電視工程領域的數字化快速發展，有助于將系統的物理實體、虛擬模型、服務連接為一個有機的整體，加大其在廣電工程系統領域中的工程設計、施工管理、資產管理、系統運維、故障診斷預測、數字化仿真教學等多方面的全域全周期一體化融合發展，如圖4所示。

圖4 面向廣播電視的全域全周期數字孿生體體系架構

3.2.1 工程設計管理

基于數字孿生理念可以在廣電工程領域項目建設設計之初就對項目工程進行全局規劃管理，全程輔助系統工程的設計、實施。

（1）構建設備模型庫

基于數字傳感技術、計算機仿真技術以及物聯網技術依托歸類的設備實體資產庫和基礎設施環境，進行基于設備資產原型1：1的基礎數據采集，建立相應的數字孿生設備物理模型，為廣電系統設備模擬運行和模擬系統搭建提供設備基礎元素。

（2）搭建模擬系統驗證

根據實際廣電項目工程的業務需求，在泛在網絡的虛擬環境下，可以提前搭建虛擬基礎環境，串聯系統所需視、音頻通路設備以及業務支撐能力設備，進行系統視、音頻信號業務鏈路的模擬搭建，模擬工程系統業務需求場景進行線上測試運行，依據測試結果，實時反饋于實際的系統工程設計，以此優化選型設備，提前消除系統盲點，規劃出設備設計邏輯圖，以優化完善系統深化設計方案。

（3）工程實施管理

打造專屬數據庫，依據統一的模擬仿真數據信息反饋實際實施系統工程，創建業務能力模型，提交數字化施工圖紙、線纜標簽，同步進行設備以及施工耗材（比如視、音頻專業線纜、光纖、網線、電纜等）實際需求統計，不再依賴傳統手動人工表格統計匯總，做到設備與耗材采購的精準化，同時底層實現設計、施工的系統基礎數據共享，也有助于做好廣電系統的項目實施進度實時跟進，做到精細化管理。

3.2.2 資產統一管理

以數字孿生理念構建統一的廣電系統資產管理庫，提供電子化的廣電系統臺賬管理，實現廣電工程域內所有設備資產的資源管理和全生命周期管理能力，有效避免資產管理不到位以及資產利用率低等問題。針對系統涵蓋的所有設備、線纜等資產都可以通過二維碼、條形碼等圖像化標簽方式進行統一化管理，賦予每一件資產實物唯一的資產標簽信息，并結合系統的運行業務動態信息將設備基礎信息綁定，實現設備資產入庫、出庫、上線、下線、維護、維修、報廢等狀態的動態跟蹤綁定，方便用戶根據業務需求實時了解設備資產的運行、流轉等信息。

3.2.3 仿真培訓演練

廣電系統主要以三級、四級網絡安全等保要求為主，安全性、實操性要求較高，針對性強，在處理問題時要求做好“快、準、穩”，對業務人員的能力水平要求極高，日常操作過程中無法真正體驗到應急突發事件的緊迫感?；跀底謱\生技術的動態交互性和實時性，構建一套一體化、虛擬化的高趣味性和沉浸感的數字仿真安全培訓與演練平臺，供運行人員在日常運行操作中學習演練?？梢罁\行系統的多業務、多場景演練需求，定制化快速搭建虛擬化的演練業務路由、業務鏈路，依據實際運行建立的故障場景庫模擬業務信息以及單節點故障觸發操作場景，并以圖形化的展現方式實現互動，將演練的操作形式更加貼切實際真實的運行系統。當真正遇到一些突發應急事件時，運行人員可以輕松熟練地解決實際問題，極大地避免誤操作帶來的事故，從而整體提高運行維護人員的知識技能水平和應急處理能力。

3.2.4 運行維護管理

在媒體融合的大趨勢下，IT通用化設備在廣電系統中的大量應用以及廣電系統業務形態逐步豐富多樣化，導致系統中設備的監測和運行維護難度更加突出?；跀底謱\生理念，從智能運維巡檢、故障預測診斷、全景可視化交互等方面可以重構廣電系統的數字化運行運維體系。

（1）智能運維協同

傳統的廣電運維管理缺乏有效的管控機制，完全依賴技術人員的個人技術和經驗水平，以人為制定的巡檢方式按時按點完成巡檢，并未形成規范化、自動化、流程化的運維管理模式。通過數字孿生技術實時收集在線廣電系統設備產生的全部數據信息：設備生產信息、運行信息、監控信息、維護信息、歷史數據等信息，形成運維數字孿生體。通過大數據分析、人工智能等技術，將離散的數據信息進行關聯并轉化為統一在線共享，經過后臺數據的不斷積累，以及專家庫、知識庫的迭加復用，進行數據挖掘、融合分析，將數據變現發揮其核心價值，支撐運維人員虛實結合，實時監測和了解系統整體運行情況，形成一個全鏈條閉環體系，不斷優化完善系統，提高精細化管理、智能化決策和運維效率。另外，運維人員可定制巡檢的模板庫表，按時定點依托機器人、AR眼鏡、平板等多種移動終端來簡化常規的巡檢流程，提高巡檢效率和準確度。

（2）故障預測診斷

預測是根據在線運行設備的當前狀態監測及數據分析，通過其原本的特征來計算、分析和預測物理對象的未來狀態。診斷運行是依據數字化對象與在線運行物理對象的實時互動，通過感知對象的運行狀態，進行邏輯判斷后給出診斷結果并提供相應的決策?；跀底謱\生技術的數據分析功能，有針對性地開展對故障診斷、故障預測以及故障溯源的機理性研究，建立融合數字孿生技術的預測性維護機制，特別是在廣電播總控系統傳輸鏈路中，可通過虛實結合直觀地將故障診斷和預測結果實時反饋給運維人員，可以及時應對系統中設備存在的安全隱患排查故障，提高故障排查的溯源性。同時，也可按照提前制定的策略有針對性的對設備部件進行預防性維護，避免無辜對正常設備的無意義的預防性維護，造成不必要的故障因素，從而最大化發揮設備使用壽命以及優化系統的健康評測，降低系統運維成本。

（3）可視化動態交互

基于數字孿生的方式創建更加精細化、動態化的數字化模型，以高效、實時、準確、互動性強的可視化技術，高保真地呈現物理網絡孿生體的模型，以及孿生體與物理實體之間的實時交互數據及指令，全方位、立體化、動態化、形象化地呈現廣電整個系統基礎環境、網絡架構、業務資源。一方面可以極大的輔助廣電運行運維人員實時了解整體系統網絡的內部結構，另一方面依托數據化信息，挖掘隱藏在網絡內部的有價值信息，提高視覺認知。此外，數據可視化也可以實現一目了然的呈現“巡檢、運維、交接班”的全部信息，提高工作銜接效率。

4 總結

近年來，物聯網、云計算、大數據、人工智能和混合現實等新一代信息技術的大力發展，促進數字孿生技術在理論層面和應用層面均取得了快速發展。廣電行業領域引入數字孿生技術，可全面實現系統對項目初期規劃、設計、施工、運行、維護、預警等全流程進行精細化建模，實現各業務系統之間的資源共享、互聯互通、邏輯關系映射，做到虛實映射、虛實共生，促進其與產業技術的深度融合，實現廣電系統內人、事、物在數字世界的重構，也必然加快推動賦能廣電相關產業數字化、網絡化和智能化的發展進程，進一步有效地提升廣電行業的競爭力。