浅谈数字孪生

王锐

上海邮电设计咨询研究院有限公司 上海 200092

1 数字孪生简介

目前，数字孪生尚未形成统一的定义，但其作为观察与认识物理世界、研究与改造物理世界的新型方法论与重要手段，备受发达国家与高速发展中国家学术界、工业界与政府部门的关注。

1.1 数字孪生的认知

美国密歇根大学教授Michael Grieves在2002年提出了产品生命周期管理理想状态——“通过物理设备的数据，在虚拟空间构建1个可以表征该物理设备的虚拟实体和子系统；并且这种联系不是单向和静态的，而是在整个产品的生命周期中都联系在一起的”，这是数字孪生概念首次被科学家提及。我国陶飞教授认为，数字孪生是以数字化的方式建立物理实体的多维、多时空尺度、多学科、多物理量的动态虚拟模型来仿真和刻画物理实体在真实环境中的属性、行为、规则等。目前科学界各方对数字孪生的说法不一，但对数字孪生的核心要素基本达到一致共识，即其内容包括物理实体、虚拟模型、数据、连接技术、交互应用软件[1]。

1.2 数字孪生的现状

根据目前对世界各国数字孪生的发展调研，已有较多世界知名企业将数字孪生视为数字业务发展和企业拓展的新方向，美国将数字孪生列为其工业互联网落地发展的核心关键技术，德国将数字孪生列为其工业4.0发展中的重要技术内容。2016-2018年，美国Gartner公司连续3年将数字孪生列为年度十大战略科技发展趋势，Gartner公司认为2019年数字孪生处于期望膨胀期顶峰，将在未来5年产生爆发性创新。数字孪生在我国，中国信通院在2018年发布了《数字孪生城市研究报告（2018）》，2020年4月，国家发展改革委和中央网信办联合发布了新经济发展实施方案，将数字孪生提到了与大数据、人工智能、云计算、5G、物联网和区块链等新基建设施并列的高度。上海、南京、北京等城市先后推出了数字孪生技术在智慧城市、工业互联网和智能制造服务、新基建工程的规划和实施方面的建议。目前数字孪生在我国处于开展顶层布局与探索基础应用的阶段。

1.3 数字孪生的使能技术

参考目前对数字孪生使能技术的主流认识，可将使能技术分为3大类：连接、计算与交互。

（1）连接技术

连接技术包括物联网、5G等物理实体接入网络。物联网作为数字孪生的关键使能技术，实现了物理实体的泛在连接与数据采集，为构建物理世界向虚拟世界的映射提供了底层基础。5G具有高速率、低时延、海量连接的服务能力，支持物理世界大数据的实时采集与高强度、高可靠承载，支持虚拟模型优化指令的及时反馈，使物理世界与虚拟世界的实时互动成为可能，实现了物理世界与虚拟世界的闭环交互。

（2）计算技术

计算技术包括云计算、边缘计算、大数据、人工智能、区块链、仿真建模等。云计算为数字孪生提供了泛在便捷、成本可行的存储与算力资源，夯实了数字孪生应用与发展的资源底座。边缘计算提供最近端服务，支持基础业务数据与关键数据的本地存储与处理，降低了应用时延，减小了数据承载网的传输压力，提升了数字孪生的实时决策与响应能力，强化了安全与隐私保护能级。大数据将物理世界生产活动中产生的数据进行统一采集、处理与分析，为数字孪生模型提供了核心数据资源，为数字孪生发展注入了核心动能。基于人工智能，可以对历史数据进行深入学习，通过知识积累，不断优化数字孪生模型参数设置与策略，数字孪生进而向物理世界施以优化反馈，为生产劳动创造实际价值。区块链支持数字孪生中可信任数据和资产的可靠共享，支持数据可视化追溯与有效性校验，提升了数据与模型的安全性，是数字治理的重要技术手段。数字建模是数字孪生的核心技术环节，基于数字建模，用简化的数字系统来表征复杂的物理系统，协同人工智能等其他使能技术，形成物理世界与虚拟世界的交互策源地[2]。

（3）交互技术

交互技术包括灵境技术（如增强现实AR、虚拟现实VR、混合现实MR及全息技术）、机器人技术、通用开放接口等。灵境技术是通过虚拟画面与现实场景或数字化现实场景的叠加、三维立体画面的构造，为数字孪生的使用者与管理者提供沉浸、精准的交互体验。机器人可承受高工作强度与危险恶劣的工作环境，作为传感器，能够感知广域多维的物理场景数据，作为决策执行者，能够执行高精准度的劳动操作，机器人技术本身作为数字孪生的应用实体，将与数字孪生协同发展。通用开放接口支持数字孪生长期演进、长生命周期服务、方便不同领域数字孪生系统的对接、嵌套与协作，为构建全球数字孪生体系提供了可能性。

2 数字孪生的应用

随着国家推进数字经济发展与城市数字化转型，加快了数字社会的步伐，数字孪生也得以加快应用，渗透在我国经济和社会发展的各个领域。数字化技术已成为一种新型的经济和社会发展变革的核心驱动力量，正在重新定义生产力和生产关系。而数字孪生是数字化发展到一定程度的必然结果，是一套相关使能技术与应用的综合集成体系。随着数字化技术的发展与演进，数字技术应用的深化与创新，数字孪生也将不断壮大，加快丰富技术体系和拓展应用场景[3]。

2.1 基础级应用

人、物、自然从物理世界到虚拟世界的高精度、高保真的同步态势映射，通过与AR、VR、MR等灵境技术的融合，进行实时监测等生产活动，即为数字孪生的基础级应用。相关应用包括施工进度监测与施工人员监测、在服机器（设备）的工况感知与运维监测、精密设备（器件）的装配与维修、建筑物沉降观测与质量评估、灾害监测与灾情演示、数字化人体建模等。数字孪生的基础级应用侧重于物理世界到虚拟世界的高可靠映射，通过知识信息的可视化，向生产管理者提供行为依据，生产管理者进行分析后针对物理实体发起直接的管理行为。基础级应用仅向管理者提供可视化数字态势映射，数字孪生的优化反馈效果尚不明显，管理行为仍由管理者在物理世界直接发起，物理世界与虚拟世界的交互尚不充分[4]。

2.2 交互级应用

依托物联网、工业互联网等物理实体接入平台，采集海量数据，利用5G、人工智能、云计算、大数据、区块链等技术，构建相应的虚拟模型，借助交互软件，实现虚拟模型的修改与仿真以及物理实体与虚拟模型一定程度的互操作，即为交互级应用。相关应用包括供应链数字化与优化，人体健康管理，精密设备运行监测与故障点预警、建筑设计与运营优化，工业制造监测与决策优化，农作物生长监测与预测等。数字孪生的交互级应用侧重于利用物理世界大数据与机器学习，搭建与更新虚拟模型，利用模型进行仿真，根据仿真结果，通过交互软件发起对物理实体的优化行为。交互级应用淡化了物理世界与虚拟世界的空间壁障，放大了数字孪生的优化反馈效应，深化了适应数字生产力的数字化生产关系。

2.3 远景级应用

加强多源异构超大数据的多维采集，以机器深度学习与高性能算力为牵引，施以数字孪生的分层分支嵌套，实现高可靠仿真，形成决策工具，打造未来人类认识与改造世界的新工具，即为远景级应用。相关应用包括数字人体与疾病防治、极低人为干预的智能制造、科学研究与虚拟实验、数字公民与数字政府、数字城市感知与管理、数字地球与全球治理等。数字孪生的远景级应用通过超大物理数据和多元虚拟模型双驱动，持续不断地进行仿真、预测、优化与反馈，进一步打破物理世界与虚拟世界的交互瓶颈，实现物理世界与虚拟世界的互联互通、深度融合。数字孪生将成为支撑经济数字化转型和社会治理的发展新范式，将重构生产力与生产关系、上层建筑和经济基础的辩证关系，将成为集理论推理与实验验证为一体的方法论。

3 数字孪生的畅想

随着我国乃至全球主要国家的社会经济数字化转型，数字孪生的使能技术与应用领域将得到不断拓展，人类社会的生产力与生产关系将不断变革[5]。

3.1 数字方法论

数字孪生分析历史数据，采集实时信息，对未来进行预测，在数字空间中打造过去、现在、将来的闭环结构，并提出有参考价值的优化策略，将成为人类常用的认识与改造世界的普适方法论。

3.2 数字地球

在未来，众多的数字孪生系统，可通过统一开放的接口连接重构为多元复杂的数字孪生体系，进而演进为万物孪生的数字地球，物理时空的壁障将进一步被打破，全人类将共同拥有一个开放、共享、包容的数字服务平台。

3.3 伦理与法制

数字孪生将促使物理世界与虚拟世界的深度融合，而灵境技术将使得两者的边界进一步模糊，数字孪生可以为人们提供逼真的服务体验，人类将对虚拟世界发起更多样的诉求，道德伦理将受到挑战，基于物理世界与虚拟世界存在一定的交互性，现实世界存在受到虚拟行为间接破坏的可能性，数字犯罪的防控与虚拟世界的法制建设将成为新的研究课题[6]。