2020年行將結束，回顧這一年國內科技領域最火的技術和產業，除了備受矚目的新基建外，數字孿生同樣不容忽視。
今年4月，國家發展改革委重磅發佈《關於推進“上雲用數賦智”行動 培育新經濟發展實施方案》，其中“數字孿生”技術在《方案》中被提及多次，和雲計算、人工智能、5G、物聯網等前沿技術一樣，受關注程度上升到國家高度。
同時，全國各地陸續出臺政策，提前佈局數字孿生城市建設，配套措施也在緊鑼密鼓地落實：
2020年，上海市發佈《關於進一步加快智慧城市建設的若干意見》，探索建設數字孿生城市，數字化模擬城市全要素生態資源，構建城市智能運行的數字底座。
同年，北京市海淀區提出，將陸續實施城市大腦建設，結合城市規劃、建設、運營搭建海淀區的數字孿生城市時空數據圖。
去年，貴陽市提出從超大型社區治理、街區街道等小型城市生態系統入手打造數字孿生城市。浙江省則發佈了未來社區建設試點實施方案，制定“未來社區”九大場景，提出構建現實和數字孿生社區的要求。舟山市、西鹹新區、重慶市、長三角一體化示範區等地紛紛採用數字孿生城市的建設理念和模式，先後制定智慧城市頂層設計和規劃，以數字孿生城市爲導向推進智慧城市建設。
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之所以數字孿生技術受到如此重視，是因爲它可以完全繞過現實實物，直接通過操控數字孿生體進行模擬、仿真和預測。例如波音公司的波音777客機，就是利用數字孿生的初期技術開發設計的。它的整個研發過程，300多萬個零部件，沒有任何圖紙模型，完全依靠數字仿真來推演，然後直接進行量產。據報道，這項技術幫助波音公司減少返工量50%，有效縮短研發週期40%。
總的來說，數字孿生技術能夠困擾人們已久的虛擬世界和現實世界連接交互的問題，它充分利用模型、數據、智能並集成多學科的技術，面向產品全生命週期過程，具有可觀的應用價值。利用該技術，可以在數字世界模擬出小到一顆螺絲、大到一座城市，甚至精密複雜如人體的內在結構。理論上講，物理世界中的各種事物均可使用數字孿生技術進行復制。據有關信息研究和分析機構預測，未來一到兩年內，全世界一半以上的大型生產廠家將使用這一技術，可以幫助他們提高近10%的生產效率。
正因如此，數字孿生技術受到了空前的重視。如今，隨着數字經濟成爲全球熱點，數字孿生技術與新基建、工業互聯網等概念被緊密聯繫在一起，在國家政策的推動下正在加速進入普及時代，對我國經濟社會發展的影響也日益深刻。
描述這麼多，想必很多人會問，數字孿生究竟從何時開始發展、目前到達什麼水平，又能夠在哪些方面展開應用呢？
一、數字孿生理論研究進展
數字孿生，英文名叫Digital Twin（數字雙胞胎），也被稱爲數字映射、數字鏡像。其官方定義是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命週期過程。簡單解釋，就是現實世界的數字化，以數字化方式爲真實世界建立虛擬模型，模擬其在現實環境中的行爲，進而提升產品創新力、生產效率等。
2003年，密歇根大學教授Dr. Michael Grieves 在產品全生命週期管理PLM課程的文檔中 提出了“與物理產品等價的虛擬數字化表達”的概念，即在虛擬空間構建的數字模型與物理實體交互映射，忠實地描述物理實體全生命週期的運行軌跡，這被認爲是數字孿生概念的雛形。
但是由於當時的理論和技術條件的限制，數字孿生技術並未得到人們的重視。Grieves教授對此概念也做過多次修改，直到2011年採用了“數字孿生”這一概念來表述。特別是2011年美國空軍制定未來30年的長期願景時，美國空軍實驗室AFRL( AirForce Research Laboratory) 與 NASA 合作提出了構建未來飛行器的數字孿生體，總結爲“使用最佳可用的物理模型、升級化的傳感器、飛行器的歷史信息的一個綜合的多物理、多尺度、概率模擬的系統，來反映出它另一個正在運行的孿生兄弟的生命週期”。初始的定義是通過考慮隨機性、歷史數據、傳感器數據、與真實世界實體交互信息等，形成了一系列能表示多個方面及系統的集成的子模型，通過以上模型來模擬飛行器的壽命。
隨後幾年，數字孿生真正引起關注，一些學者在NASA提出概念的基礎上進行了補充和完善，例如Mika Lohtander等人認爲數字孿生可更好地感知和預測生產機器的性能、生產流程和組成結構，通過採集真實系統的數據來表示真實機器上實時信息，將真實信息和模擬信息結合。因此，數據孿生可以被定義爲物理過程環境的歷史和當前行爲的動態數字模型；而Gabor等提出在智能網絡物理系統中，應用數字孿生技術將物理對象本身的數字模擬來預測系統的未來狀態。由此可見，新的定義添加了數字孿生對實體全生命週期和在預測診斷活動中應用方面的考慮。
在數字孿生概念不斷完善和發展過程中，學術界主要針對數字孿生的建模、信息物理融合、交互與協作及服務應用等方面開展了相關研究，不過目前還處於起步階段，有待系統深入地研究。
二、數字孿生技術的應用
近年來，得益於物聯網、大數據、雲計算、人工智能等新一代信息技術的發展，數字孿生的應用已逐漸成爲可能。現階段，除了航空航天領域，數字孿生還被應用於電力、船舶、城市管理、農業、建築、製造、石油天然氣、健康醫療、環境保護等行業。特別是在智能製造領域，數字孿生被認爲是一種實現製造信息世界與物理世界交互融合的有效手段。許多著名企業（如空客、洛克希德馬丁、西門子等）與組織（如 Gartner、德勤、中國科協智能製造協會）對數字孿生給予了高度重視，並且開始探索基於數字孿生的智能生產新模式 。
此外，微軟推出了Azure Digital Twin服務，能夠創建任何物理環境的數字模型，包括連接它們的人員、地點、事物、關係和流程，並與物理世界保持同步。通過Azure Digital Twins，用戶可以在空間的語境中查詢數據，該服務將成爲Azure IoT平臺的一部分；阿里巴巴城市大腦則提出了“數字孿生交通”、“數字孿生城市”、“數字孿生生態”三個階段的數字孿生藍圖；GE公司已經擁有了120萬個數字孿生體，可以處理30萬種不同類型的設備資產。
IDC的數據顯示，世界上40%的大型製造商都會用到數字孿生系統來建立虛擬模型，數字孿生技術被廣泛運用於製造業，成爲企業邁向工業4.0的核心解決方案。另外，Gartner機構早在2017年就將數字孿生技術列入了十大戰略科技發展趨勢之中。它在報告中指出，數年之內，數以億計的物件將由數字孿生呈現，企業將大量運用數字孿生業務。Gartner還預測，到2020年，互聯傳感器與端點將超過200億，數字孿生將以數據爲基礎，服務於數十億個物聯網設備。
今年11月，由工信部中國電子技術標準化研究院牽頭編寫的2020年《數字孿生應用白皮書》。作爲新基建背景下的重要研究成果，該白皮書對當前我國數字孿生的技術熱點、應用領域、產業情況和標準化進行了分析，同時收錄了在智慧城市、智慧交通、智慧能源、智慧建築、智能製造、智慧健康6大領域的31個應用案例。
下面，我們以工業互聯網和智慧城市爲例，分析數字孿生技術具體如何賦能。
1、數字孿生技術在工業互聯網中的應用
數字孿生起源於工業製造領域。工業製造也是數字孿生的主要戰場。
在產品研發的過程中，數字孿生可以虛擬構建產品數字化模型，對其進行仿真測試和驗證。生產製造時，可以模擬設備的運轉，還有參數調整帶來的變化。數字孿生能夠有效提升產品的可靠性和可用性，同時降低產品研發和製造風險。維護階段，數字孿生也能發揮重要作用。
採用數字孿生技術，通過對運行數據進行連續採集和智能分析，可以預測維護工作的最佳時間點，也可以提供維護週期的參考依據。數字孿生體也可以提供故障點和故障概率的參考。數字孿生給工業製造帶來了顯而易見的效率提升和成本下降，使得幾乎所有的工業巨頭趨之若鶩。
具體而言，數字孿生能夠結合工業互聯網全要素、全價值鏈、全產業鏈連接的需求，在邊緣側、私有云、公有云三個層面開展應用，進而實現從單點、局部到全局的優化。
（1）邊緣雲——基於數字孿生開展面向設備的全狀態健康管理
在邊緣側，面向設備數字孿生應用的時間最早可以追溯到CAX仿真時期，目前發展較爲成熟。通過對人、機、料、法、環等生產要素的數字化、模型化、代碼化，構建物理實體設備的數字孿生模型，實現對設備的全狀態健康管理。
在設備狀態檢測方面，可以通過對物理設備的幾何形狀、功能、歷史運行數據、實時監測數據（如軸承震動、轉軸轉速、定子電流、功率等）進行數字孿生建模，改變了傳統的實體設備運行的“黑箱”狀態，可實時監測設備各部件的運行情況。比如，通用電氣擁有3萬個數字孿生的噴氣發動機，可實時獲取發動機的運行狀態、維修配件供應情況，以及飛行的環境溫度、灰塵條件等環境數據，爲發動機安全運行提供保障。
在遠程故障診斷方面，數字孿生體將實體設備的歷史故障與維修數據、實時工況數據，與故障診斷知識庫相連，利用機器學習技術和知識圖譜技術分析數字孿生體的情況，實現實體設備的故障檢測、判斷、定位與恢復。例如，美國空軍在數字空間建立了戰鬥機的三維模型，每次飛行任務結束後，都會通過數字孿生體的遠程分析來評估飛機結構的可能性狀況，以便遠程診斷實體飛機部件是否存在故障。
在預測性維護方面，售後維護人員通過數字孿生體實時收集產品的各項內在性能參數，繪製工作狀態與設計性能之間的關係曲線，分析各項性能偏差，提前預判產品零部件的損壞時間，以便主動、及時和提前提供維護服務，避免設備非計劃停機帶來的損失。
（2）私有云——基於數字孿生開展面向企業內部的全流程業務優化
在企業私有云上，通過對企業研發、生產、管理等各環節的業務流程數字化、模型化，代碼化，建立在數字空間的映射，對企業整個生態進行管理。
在精益研發方面，數字孿生可以在虛擬空間研發設計複雜多樣型的個性化產品，在沒有實際生產產品的情況下，客戶就可以模擬體驗產品內外部功能結構以及功能性能，開發者則可以驗證產品在真實環境中的性能。數字孿生還可以提供沉浸式和差異化的購買體驗來實現與顧客互動。比如法國達索公司建立了基於數字孿生的3D體驗平臺，將工程數據轉換爲真正沉浸式的產品體驗和虛擬應用，使寶馬，特斯拉的汽車用戶獲得模擬體驗並感受汽車外觀和內飾，通過用戶反饋，形成閉環反饋系統以不斷改進產品的設計模型，進而達到對物理實體的改進升級。
在智能生產方面，在新產品投入使用之前，可以利用數字孿生預先對生產計劃排程，訂單管理，質量管理，物料管理和設備管理，進行建模測試，找出最優方案，幫助企業縮短新產品導入週期，提高產品交付速度。比如瑪莎拉蒂公司通過對虛擬的數字孿生體進行設計和測試，縮短了30%新款車型設計開發時間，將跑車上市的時間縮短了16個月。
在精益管理方面，通過對企業管理各要素（人，機，料，標準，流程，制度）和各環節（開發，質量，物流，銷售，售後）的數字孿生，一方面可以將生產現場數據實時傳輸給管理者，輔助管理者及時準確的決策，避免出現管理滯後於生產的問題。另一方面，通過分析數字孿生體，還可發現不合理和低效的管理流程，從而加以改善和優化，提高組織管理效率。比如英國石油公司利用數字孿生APEX系統，基於每口油井的流態和壓力數據，結合物理學的水力模型，實時模擬原油採集和流動情況，通過將模型和實際數據配對，模擬分析作業的影響因素，向工程師展示如何調整流速，壓力以及其他參數，實現持續化生產。APEX系統將過去需要24小時才能完成的系統優化過程縮短到20分鐘，2018年APEX使英國石油公司的基準產量每天增加了19000桶。
（3）公有云——基於數字孿生開展面向產業鏈的全環節數字化管理
在公有云上，通過對整個產業鏈上下游，產業各要素的生產製造全過程和全生命週期的數字孿生，實現產業鏈的全環節數字化管理。
在網絡化協同方面，創建供應鏈流程和供應鏈上所有相關業務信息的鏡像，可以實時監控執行情況，識別具有差異或結構故障的低效運行的供應鏈流程，提出針對具體企業及整個供應鏈物理資源和人力資源的最佳利用方案，提升運營效率，實現產業價值鏈的增值。例如，斯凱孚構建了全球供應鏈網絡的數字孿生模型，員工通過分析實時同步的、可視化的供應鏈運行情況，就可以協調全球供應商的生產規模和運營計劃，實現供應鏈的全球化協同。
在個性化定製方面，數字孿生可以優化整段定製旅程，提升用戶體驗。在營銷、研發、生產階段，數字孿生能夠構建數字孿生人、數字孿生產品和數字孿生工廠，實現基於用戶畫像的個性化精準營銷、基於虛擬產品體驗的定製設計、基於預先虛擬生產的快速排產，從而發現目標客戶、提高用戶參與度和滿意度，縮短生產時間，降低制定成本。例如，西門子根據客戶的體重、揮杆姿勢、力量等個體元素，利用數字孿生量身定製了卡拉威高爾夫球杆，在虛擬環境中完成研發和預生產，球杆定製成本沒有增加，上市週期從2-3年縮短爲10-16個月，廣受市場好評。
在服務化延伸方面，製造商售出實物產品時保留產品研發團隊對產品數字孿生體的編輯權限，研發團隊可通過遠程操控數字孿生體向實物產品寫入新的功能，獲取數據並提供服務。數字孿生使產品本身與產品服務之間的界限變得模糊，催生了按產品運營效果付費、按授權服務付費、按軟件服務付費、按諮詢服務付費，以及按物聯網金融付費等新的商業模式。比如，美國迪爾公司利用數字孿生技術，通過分析挖掘農業機器收集的設備狀態數據以及氣象、土壤、種子等數據，幫助農場主作出科學的農耕決策，從出售產品變爲出售全套的農耕服務。
儘管數字孿生當前在工業領域有諸多零用，不過，由於它是一個綜合性的技術，涉及多項技術，需要很多對應標準的接口，目前行業還處於一個比較初級的階段，標準化體系尚未構建完成。所以，這也導致了數字孿生能爲產業發展帶來的價值和形式遠遠低於它能完全呈現的。但是，這並不影響各大企業對於數字孿生技術的追捧。比起眼前的應用價值，數字孿生更重要的價值在於爲未來發展提供更多的可能性。
2、數字孿生的智慧城市應用
相比於工業製造的“產品生命週期”，城市的“生命週期”更長，數字孿生帶來的回報更大。當然，城市數字孿生的部署難度也更大。
事實上，印度海德拉巴、新加坡，還有我們中國的深圳、雄安，都已經在做這方面的摸索和嘗試。大量的投資，正在湧向“智慧城市+數字孿生”的應用場景。阿里的“城市大腦”、“數字平行世界”，還有科大訊飛的“訊飛超腦”，都涉及到智慧城市和數字孿生的結合。
如果將數字孿生運用到城市中，就是在建築信息模型和城市三維地理信息系統基礎上利用物聯網技術把物理城市的人、物、事件和水、電、氣等所有要素數字化，在網絡空間再造一個與之完全對應的“虛擬城市”，形成物理維度上的實體城市和信息維度上的數字城市同生共存、虛實交融的格局。
一個成熟的數字孿生城市，就是以全域數字化標識和一體化感知檢測爲數據孿生基礎，以全域全景的數據資源、高性能的協同計算、深度學習的機器智能平臺爲城市信息中樞，以數字孿生模型平臺爲城市運行信息集成展示載體，操控城市治理、民生服務、產業發展等各系統協同運轉，形成一種自我優化的智能運行模式，實現“全域立體感知、萬物可信互聯、泛在普惠計算、智能定義一切、數據驅動決策”。
從結構來看，數字孿生城市主要有新型基礎設施、智能運行中樞、智慧應用體系三大橫向的分層 ：
基礎設施層 ：城市新型基礎設施包括全域感知設施 ( 包括泛智能化的市政設施和城市部件 )、網絡連接設施和智能計算設施。與傳統智慧城市不同的是，數字孿生城市的基礎設施還包括激光掃描、航空攝影、移動測繪等新型測繪設施，旨在採集和更新城市地理信息和實景三維數據，確保兩個世界的實時鏡像和同步運行 。
智能運行中樞 ：智能運行中樞是數字孿生城市的能力中臺，由五個核心平臺承載，一是泛在感知與智能設施管理平臺，對城市感知體系和智能化設施進行統一接入、設備管理和反向操控。二是城市大數據平臺，匯聚全域全量政務和社會數據，與城市信息模型平臺整合，展現城市全貌和運行狀態，成爲數據驅動治理模式的強大基礎。三是城市信息模型平臺，與城市大數據平臺融合，成爲城市的數字底座，是數字孿生城市精準映射虛實互動的核心。四是共性技術賦能與應用支撐平臺，匯聚人工智能、大數據、區塊鏈、AR/VR 等新技術基礎服務能力，以及數字孿生城市特有的場景服務、數據服務、仿真服務等能力，爲上層應用提供技術賦能與統一開發服務支撐。五是泛在網絡與計算資源調度平臺，主要是基於未來軟件定義網絡（ SDN）、雲邊協同計算等技術，滿足數字孿生城市高效調度使用雲網資源 。
應用服務層 ：應用服務層是面向政府、行業的業務支撐和智慧應用，基於數字孿生城市的應用服務包含城市大數據畫像、人口大數據畫像、城市規劃仿真模擬、城市綜合治理模擬仿真等智能應用，社區網格化治理、道路交通治理、生態環境治理、產業優化治理等行業專題應用 。
當前，我國政府已將數字孿生城市作爲實現智慧城市的必要途徑和有效手段，雄安新區的規劃綱要明確指出要堅持數字城市與現實城市的同步規劃、同步建設，致力於將雄安打造爲全球領先的數字城市。中國信通院成功舉辦3次數字孿生城市研討會，研討數字孿生城市的內涵特徵、建設思路、總體框架、支撐技術體系等。阿里雲研究中心發佈《城市大腦探索“數字孿生城市”白皮書》，提出通過建立數字孿生城市，以雲計算與大數據平臺爲基礎，藉助物聯網、人工智能等技術手段，實現城市運行的生命體徵感知、公共資源配置、宏觀決策指揮、事件預測預警等，賦予城市“大腦”。
此外，從國外比較具有代表性的探索來看，新加坡政府已經與達索合作，致力於建立一個數字孿生城市，用來監控城市中從公交車站到建築物的一切，從而藉助數字孿生城市實現對城市的圖形化監控、仿真優化、規劃決策等功能。Cityzenith爲城市管理搭建了“5D智能城市平臺”，基於這個平臺，基礎設施開發過程可以實現數字化，以及城市的數字化全生命週期管理。IBM Watson展示瞭如何在城市建築中使用數字孿生來控制暖通空調系統並監測室內氣候條件，通過創建數字孿生建築來輔助管理能源並進行故障預測，併爲技術人員提供維護、控制等服務支持。
三、數字孿生背後的野心
想必很多人依然對巴黎聖母院的那場大火印象頗深。2019年4月15日，巴黎聖母院被大火吞噬，在燃燒了近15個小時後，巴黎聖母院標誌性的尖頂被燒斷，坍塌倒下，整座建築受損嚴重。此後，人們一直在關心着這座歷史悠久的建築能否被重建。然而距離巴黎聖母院大火已過去一年多的時間，在重建方案上法國國內依舊沒有達成共識。但幸運的是，數字孿生技術正在將這座具有850多年曆史的建築“克隆重生”。
除了重建建築，還可以重建一個系統、一個城市，甚至一個世界。顯然，數字孿生正是可以“克隆地球”所需的技術。這種想法似乎是天方夜譚，但是確實有企業致力於此。2017年，一個名叫“地球克隆”的理想主義計劃，成爲51WORLD最爲人所知的標籤。隨後該公司於每年12月舉辦地球克隆計劃發佈會，通過搭建一個融合 VR、AI、仿真、大數據 等領域的跨界交流平臺，向外界傳達計劃的進程。
事實上，目前數字孿生的應用場景僅被開發不到1%，尚處於發展初期的數字孿生在技術、應用、市場上都不足以實現科幻小說或電影所呈現的場景。在此刻提出“克隆地球”的口號似乎有噱頭營銷的嫌疑，不過，如果從細分領域出發，無論是在工業物聯網、智慧城市，或者是醫療、車間等，挖掘出當前看得見的產業價值，或許有一天，當各行各業都被這項技術得到重塑，誰會說這個世界不是一個新的開始呢。
編輯：文婧
校對：楊學俊
