在漫威電影《鋼鐵俠》系列中，鋼鐵俠托尼·史塔克僅僅通過(guò)虛擬影像映射，就可以對(duì)身上的戰(zhàn)衣進(jìn)行設(shè)計(jì)或修理。這一幕承載了人類(lèi)對(duì)于未來(lái)工業(yè)制造等行業(yè)的無(wú)盡想象。在現(xiàn)實(shí)中，人們對(duì)此類(lèi)場(chǎng)景也有一個(gè)特定的概念，即數(shù)字孿生。自元宇宙概念興起，數(shù)字孿生一詞也開(kāi)始越來(lái)越多地進(jìn)入人們的視野。

那么，作為構(gòu)建元宇宙的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一，數(shù)字孿生到底是什么?

01

什么是數(shù)字孿生?

一切還要從元宇宙說(shuō)起，它描繪了一個(gè)構(gòu)建在網(wǎng)絡(luò)上，脫胎于現(xiàn)實(shí)世界，又與現(xiàn)實(shí)世界相互平行、相互影響，并始終在線(xiàn)的虛擬世界。而想要構(gòu)建這個(gè)概念中的“世界”，最重要的技術(shù)之一便是數(shù)字孿生。

數(shù)字孿生，英文名為Digital Twin(數(shù)字雙胞胎)，也被稱(chēng)為數(shù)字映射、數(shù)字鏡像。它的官方定義非常復(fù)雜，是這么說(shuō)的：是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，數(shù)字孿生就是在一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)“物理實(shí)體”的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造一個(gè)數(shù)字版的“克隆體”，也被稱(chēng)為“數(shù)字孿生體”。它被創(chuàng)建在信息化平臺(tái)上，是虛擬的。在這個(gè)“孿生體”中，任何事物都與真實(shí)世界完全同步，甚至可以提前感知未來(lái)可能出現(xiàn)的事件，實(shí)現(xiàn)合理規(guī)劃和發(fā)展。舉例來(lái)說(shuō)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造商們，為有效檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，為其創(chuàng)建數(shù)字孿生平臺(tái)。工程師首先會(huì)在電腦里創(chuàng)建發(fā)動(dòng)機(jī)的精確虛擬副本，然后在真實(shí)世界中為發(fā)動(dòng)機(jī)安裝各種傳感器以收集數(shù)據(jù)，這些傳感器收集到的數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)中的數(shù)字孿生平臺(tái)。這時(shí)只要在虛擬世界中運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)，就能模擬在真實(shí)世界中發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況。同時(shí)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的虛擬運(yùn)行，工作人員就能收集發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況與方式，從而了解其維護(hù)周期。

數(shù)字孿生的重要性不僅在于它可以復(fù)刻真實(shí)世界，更重要的是它可以與物理實(shí)體互動(dòng)，甚至反向控制物理實(shí)體。物理實(shí)體和其孿生體之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)也可以是雙向的，并不只是實(shí)體向?qū)\生體輸出數(shù)據(jù)，孿生體也可以向?qū)嶓w反饋信息。也就是說(shuō)，數(shù)字孿生體是會(huì)“動(dòng)“的。

此外，理解數(shù)字孿生還需要記住三個(gè)關(guān)鍵詞，即“全生命周期“ ”實(shí)時(shí)/準(zhǔn)實(shí)時(shí)“ ”雙向“。全生命周期指的是數(shù)字孿生可以貫穿產(chǎn)品包括設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、制造、服務(wù)、維護(hù)乃至報(bào)廢回收的整個(gè)周期。它不僅可以幫助企業(yè)把產(chǎn)品更好地造出來(lái)，還能幫助用戶(hù)更好地使用產(chǎn)品。而實(shí)時(shí)/準(zhǔn)實(shí)時(shí)指的是本體和孿生體之間可建立的全面實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的聯(lián)系。兩者并不是完全獨(dú)立的，映射關(guān)系也具備一定的實(shí)時(shí)性。雙向則指的是本體和孿生體之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)可以是雙向的。并不是只能本體向?qū)\生體輸出數(shù)據(jù)，孿生體也可以向本體反饋信息。企業(yè)可以根據(jù)孿生體反饋的信息，對(duì)本體采取進(jìn)一步的行動(dòng)和干預(yù)。

02

數(shù)字孿生的起源

在追溯數(shù)字孿生的起源時(shí)，業(yè)界多數(shù)認(rèn)為“數(shù)字孿生”概念的發(fā)明者是美國(guó)密歇根州立大學(xué)教授邁克爾·格里弗斯(Michael Grieves)。他在2002年10月美國(guó)制造工程協(xié)會(huì)管理論壇上的一次演講中，提及了類(lèi)似數(shù)字孿生的相關(guān)概念。他還曾在2003年的一次高管培訓(xùn)上，提出了“物理產(chǎn)品的數(shù)字等同體和數(shù)字孿生體概念“。

2009年，美國(guó)空軍相關(guān)實(shí)驗(yàn)室首次明確提到數(shù)字孿生的概念：“機(jī)身數(shù)字孿生(Airframe Digital Twin)”。2010年，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)在《建模、仿真、信息技術(shù)和處理》和《材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)和制造》兩份技術(shù)路線(xiàn)圖中正式開(kāi)始使用“數(shù)字孿生(Digital Twin)”這一名稱(chēng)。

其實(shí)，數(shù)字孿生技術(shù)最早可以追溯到20世紀(jì)70年代，NASA開(kāi)始使用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)航天器進(jìn)行建模和仿真，當(dāng)時(shí)每個(gè)航行航天器都被精確地復(fù)制成地球版本，用于研究和模擬目的，由在飛行機(jī)組人員中服役人員使用。這個(gè)技術(shù)不僅可以幫助測(cè)試航天器的設(shè)計(jì)，還能夠幫助減少生產(chǎn)成本和縮短開(kāi)發(fā)周期。后來(lái)才擁有一個(gè)更為響亮的名號(hào)：數(shù)字孿生。

2004年，我國(guó)科研人員王飛躍發(fā)表名為《平行系統(tǒng)方法與復(fù)雜系統(tǒng)的管理和控制》的文章，文中提出了平行系統(tǒng)的概念，這也和數(shù)字孿生的概念非常接近。2015年前后，中國(guó)也開(kāi)始跟進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)。當(dāng)時(shí)包括工業(yè)4.0研究院在內(nèi)的多家國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)，紛紛啟動(dòng)了數(shù)字孿生相關(guān)的研究課題。總之，“數(shù)字孿生”概念的出現(xiàn)，為人類(lèi)的未來(lái)提供了一條愈發(fā)清晰的探索之路。

03

數(shù)字孿生的應(yīng)用場(chǎng)景

雖然元宇宙現(xiàn)在還言之尚早，但作為實(shí)現(xiàn)元宇宙重要的底層技術(shù)之一的數(shù)字孿生卻早已經(jīng)在多個(gè)場(chǎng)景(領(lǐng)域)得到應(yīng)用。

工業(yè)領(lǐng)域

在數(shù)字孿生應(yīng)用場(chǎng)景中，最為典型的應(yīng)用就是在工業(yè)領(lǐng)域中。以制造業(yè)為例，數(shù)字孿生技術(shù)可以通過(guò)建立虛擬工廠(chǎng)、仿真生產(chǎn)過(guò)程等方式，為制造類(lèi)企業(yè)提供重要的決策支持，通過(guò)收集大量的數(shù)字孿生的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，分析生產(chǎn)過(guò)程中的瓶頸和問(wèn)題，并為生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化提供方案。

智慧城市領(lǐng)域

通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，可將城市街區(qū)的物理環(huán)境與數(shù)字模型進(jìn)行實(shí)時(shí)同步，以實(shí)現(xiàn)對(duì)城市管理的精確監(jiān)測(cè)和合理決策。通過(guò)傳感器設(shè)備獲取街區(qū)各個(gè)角落的數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)字模型中，再通過(guò)算法進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，幫助城市管理者更好地了解和把控城市的運(yùn)行狀態(tài)。

交通領(lǐng)域

交通駕駛場(chǎng)景復(fù)雜，交通堵、停車(chē)難、行車(chē)亂等問(wèn)題愈發(fā)頻繁，而具備實(shí)時(shí)性、閉環(huán)型的數(shù)字孿生技術(shù)可以通過(guò)交通數(shù)據(jù)的采集和處理，對(duì)城市交通系統(tǒng)建模進(jìn)行交通仿真，進(jìn)而對(duì)城市交通運(yùn)行狀況進(jìn)行模擬和優(yōu)化，提出有效的交通管理策略，從而使城市交通更加高效、安全、穩(wěn)定。

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

農(nóng)業(yè)是一個(gè)高度復(fù)雜和動(dòng)態(tài)的領(lǐng)域，生產(chǎn)過(guò)程會(huì)受到天氣、病蟲(chóng)害、季節(jié)和氣候因素等相關(guān)條件的影響。數(shù)字孿生技術(shù)能夠幫助農(nóng)業(yè)從業(yè)人員實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并及時(shí)評(píng)估生產(chǎn)策略，實(shí)時(shí)調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃，從而達(dá)到高質(zhì)量的生產(chǎn)力水平。

醫(yī)療領(lǐng)域

通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)建立虛擬人體模型，模擬人體的各種生理和病理情況，幫助醫(yī)生制定更有效的治療方案，并提供更準(zhǔn)確的醫(yī)療預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。此外，數(shù)字孿生技術(shù)還可用于醫(yī)學(xué)教育和培訓(xùn)，讓醫(yī)學(xué)生通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)和模擬操作來(lái)提高技能。

以數(shù)字孿生為代表的新技術(shù)，正加速推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展方式和治理模式的變革重塑。今年2月，中國(guó)信息通信研究院發(fā)布的《數(shù)字孿生城市產(chǎn)業(yè)圖譜研究報(bào)告(2022年)》顯示，2020年到2030年是我國(guó)數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)期，當(dāng)前數(shù)字孿生市場(chǎng)需求和技術(shù)均正處于高速發(fā)展階段。未來(lái)，數(shù)字孿生技術(shù)也將繼續(xù)引領(lǐng)著未來(lái)的科技發(fā)展。相信隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓展，數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)將會(huì)為社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生活帶來(lái)更加深刻的變革。