數(shù)字孿生：預(yù)演未來生活

陶飛 張辰源

提到“孿生”一詞，人們都會不約而同地想到一對外貌相像的雙胞胎。但面對“數(shù)字孿生”這個概念，大家可能會感覺很陌生。其實，如果看過《鋼鐵俠》這部電影，便能很好地理解數(shù)字孿生的概念。

《鋼鐵俠》里的“數(shù)字孿生”功臣

《鋼鐵俠》的主人公托尼·斯塔克利用先進(jìn)技術(shù)為自己量身打造了一個鋼鐵戰(zhàn)甲，身穿戰(zhàn)甲的托尼懲奸除惡，戰(zhàn)無不勝。不過，除了搭載微型核電站和各種先進(jìn)武器的酷炫戰(zhàn)甲，智能系統(tǒng)賈維斯同樣功不可沒。賈維斯內(nèi)置了鋼鐵戰(zhàn)甲的數(shù)字化虛擬模型，能實時追蹤鋼鐵戰(zhàn)甲的狀態(tài)，并通過頭盔上的顯示屏將戰(zhàn)甲狀態(tài)進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，以便托尼能夠及時掌握鋼鐵戰(zhàn)甲的損壞情況，并進(jìn)行相應(yīng)的作戰(zhàn)決策。同時，賈維斯還能根據(jù)戰(zhàn)甲的狀態(tài)和戰(zhàn)局的情況提供目標(biāo)瞄準(zhǔn)、信息追蹤、能源預(yù)警等戰(zhàn)斗輔助功能。可以說，托尼的每次勝利都離不開賈維斯的鼎力相助。

在《鋼鐵俠》中，鋼鐵戰(zhàn)甲和賈維斯具備了一個數(shù)字孿生系統(tǒng)的五大核心要素。托尼的鋼鐵戰(zhàn)甲是客觀存在的一種物理實體，具備實際戰(zhàn)斗執(zhí)行功能。賈維斯內(nèi)置的戰(zhàn)甲模型則是物理實體對應(yīng)的虛擬實體，通常稱之為數(shù)字孿生模型或數(shù)字孿生體。鋼鐵戰(zhàn)甲的損壞程度、飛行速度、能源剩余量等數(shù)據(jù)，以及賈維斯對導(dǎo)彈的彈道預(yù)測、對機(jī)甲的性能評估、從托尼處接收到的指令等數(shù)據(jù)，統(tǒng)稱為孿生數(shù)據(jù)。賈維斯通過對孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和挖掘，提供戰(zhàn)斗建議、飛行軌跡規(guī)劃、能源預(yù)警等戰(zhàn)斗輔助服務(wù)，這些服務(wù)功能以決策數(shù)據(jù)、圖表、分析曲線等形式呈現(xiàn)，學(xué)術(shù)界稱之為服務(wù)或應(yīng)用。賈維斯和鋼鐵戰(zhàn)甲之間的實時通信和雙向交互連接，使賈維斯能夠?qū)崟r掌握戰(zhàn)甲的運(yùn)行狀態(tài)，并能夠?qū)崟r操控戰(zhàn)甲的飛行系統(tǒng)和武器系統(tǒng)。

所謂“數(shù)字孿生”，就是由物理實體、虛擬實體、孿生數(shù)據(jù)、服務(wù)和交互連接五部分組成的一個系統(tǒng)或綜合體。數(shù)字孿生技術(shù)基于模型和數(shù)據(jù)雙驅(qū)動及虛實閉環(huán)交互，可在單元級、系統(tǒng)級和復(fù)雜系統(tǒng)級對象的多個層次開展應(yīng)用，可用于監(jiān)控物理實體的變化、模擬物理實體的行為、評估物理實體的狀態(tài)、預(yù)測物理實體的未來趨勢、提高物理實體的性能、優(yōu)化物理實體的運(yùn)行，并對物理實體進(jìn)行同步控制。

數(shù)字經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域天地寬

數(shù)字經(jīng)濟(jì)作為一種以數(shù)據(jù)為核心要素的新型經(jīng)濟(jì)形態(tài)，正成為推動經(jīng)濟(jì)高質(zhì)、高效、可持續(xù)發(fā)展的重要驅(qū)動力。在新冠肺炎疫情防控期間，數(shù)字經(jīng)濟(jì)展現(xiàn)出強(qiáng)大的活力和發(fā)展韌性。

在中國疫情最嚴(yán)重的時期，因疫情防控需要，人員流動受限，傳統(tǒng)零售業(yè)受到了明顯沖擊。根據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布的數(shù)據(jù)，2020年1～2月份，社會消費(fèi)品零售總額同比下降20.5%（扣除價格因素實際下降23.7%），其中，商品零售下降17.6%。商品零售的主要運(yùn)營模式是線下交易，容易受到疫情、天氣等多方面不確定因素的影響。

如果建立線下零售商品的數(shù)字孿生模型，放在網(wǎng)店中進(jìn)行展示和銷售，顧客不僅可以通過商品的數(shù)字孿生模型直觀地了解商品的組成結(jié)構(gòu)和核心參數(shù)，還能足不出戶在虛擬體驗平臺上試用商品，了解商品的使用和保養(yǎng)方法，最后利用線上支付完成交易，并收到快遞到家的商品。這種基于數(shù)字孿生的線上零售模式不僅方便了顧客，還有效結(jié)合了線下零售、物流快遞、線上支付等多種產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，更有效避免了不確定因素的負(fù)面影響。與此同時，商家還能收集到大量顧客的偏好數(shù)據(jù)和商品的售后數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計和分析，為商品后續(xù)的改良升級提供參考。

在零售業(yè)的例子中，數(shù)字孿生利用商品的數(shù)字孿生體將傳統(tǒng)的線下銷售轉(zhuǎn)移到線上，在獲取大量用戶數(shù)據(jù)和商品數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，充分挖掘出數(shù)據(jù)潛在的價值，形成商品信息可視化、顧客需求分析、商品缺陷分析等一系列服務(wù)，最終反饋到商品的優(yōu)化過程中，形成閉環(huán)迭代優(yōu)化的運(yùn)行模式，促進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)與實體經(jīng)濟(jì)的融合。

賦能行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型

隨著科技的快速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，商業(yè)模式不斷變革，行業(yè)競爭不斷加劇，用戶需求越來越苛刻和個性化，傳統(tǒng)行業(yè)迫切需要借助數(shù)字化轉(zhuǎn)型來尋找新的增長機(jī)會與發(fā)展模式。

如果建立一個數(shù)字孿生工廠，并利用工業(yè)數(shù)據(jù)總線將實際工廠與其數(shù)字孿生模型進(jìn)行連接，工廠的管理者便可以在全世界任何一個地方，通過電腦里的工廠數(shù)字孿生模型掌握實體工廠當(dāng)前的加工任務(wù)、加工設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、產(chǎn)品的合格率等信息，巡檢工人可以頭戴虛擬現(xiàn)實頭盔，在遠(yuǎn)離危險的辦公室里身臨其境地排查設(shè)備故障，甚至還能通過“透視”服務(wù)窺探上千攝氏度高溫的加熱爐內(nèi)部是否存在結(jié)焦現(xiàn)象。

數(shù)字孿生不僅能在工廠中應(yīng)用，還能在核電站中應(yīng)用。為保障核電站的運(yùn)行安全，相關(guān)設(shè)備設(shè)施需要定期進(jìn)行人工檢修。一旦發(fā)生意外事故，泄漏的核輻射將嚴(yán)重危害檢修人員的生命安全。而數(shù)字孿生核電站能大大減少這種悲劇發(fā)生的可能性。

首先，技術(shù)人員可以通過核電站中相關(guān)設(shè)備設(shè)施的數(shù)字孿生體，遠(yuǎn)程了解其性能退化的具體情況，從而及時替換相關(guān)設(shè)備零部件;其次，考慮到肉眼無法識別一些異變的細(xì)節(jié)，故障預(yù)測服務(wù)還能基于設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行故障預(yù)測，從而在故障發(fā)生之前及時對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng);最后，在進(jìn)行人工維修之前，技術(shù)人員可以在核電站的數(shù)字孿生模型上進(jìn)行多次演練，做到心中有數(shù)，從而大幅降低人工誤操作的可能性。

人造衛(wèi)星是目前發(fā)射數(shù)量最多、用途最廣的航天器，人類的科學(xué)研究、天氣預(yù)測、資源勘探、導(dǎo)航通信等都離不開它。航天器功能多樣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且長時間運(yùn)行在環(huán)境惡劣的太空中。及時預(yù)測衛(wèi)星可能發(fā)生的故障，并在故障發(fā)生前消除它，對于保障衛(wèi)星的運(yùn)行安全具有重要意義。

對此，科學(xué)家們提出，可以利用信息技術(shù)在虛擬世界中“克隆”一個與實際衛(wèi)星外觀相同、功能相似、行為一致的數(shù)字化虛擬衛(wèi)星，并利用傳感技術(shù)和通信技術(shù)在實際衛(wèi)星與虛擬衛(wèi)星之間直接建立一條能夠互相傳輸數(shù)據(jù)的通道。當(dāng)實際的衛(wèi)星升空入軌后，留在地面計算機(jī)中的虛擬衛(wèi)星便能夠接收到在軌衛(wèi)星感知到的環(huán)境數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，進(jìn)而在實時數(shù)據(jù)的驅(qū)動下呈現(xiàn)出與在軌衛(wèi)星一致的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行過程和運(yùn)行結(jié)果。操作人員僅需在電腦上監(jiān)測虛擬衛(wèi)星，便可以全面、直觀地掌握在軌衛(wèi)星的狀態(tài)，并利用預(yù)測算法，實現(xiàn)對在軌衛(wèi)星的故障預(yù)測，并在虛擬衛(wèi)星上進(jìn)行故障消除實驗，將成功的實驗方案通過數(shù)據(jù)交互通道發(fā)送給在軌衛(wèi)星，最終實現(xiàn)在軌衛(wèi)星的故障消除。

為日常生活插上科技翅膀

人們常常幻想，我們生活的城市不再因突降暴雨而一片汪洋，交通不再擁堵，交通事故不再頻發(fā)，甚至能夠預(yù)知自己還沒有演化成疾病的健康問題……也許，這些并不是人類的妄想，曾經(jīng)的不可能已漸漸變?yōu)楝F(xiàn)實。

數(shù)字孿生城市排水管網(wǎng)能夠基于排水管網(wǎng)數(shù)字孿生模型和排水系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，提供排水系統(tǒng)運(yùn)維管理、管網(wǎng)線路更新以及突發(fā)事件預(yù)案推演等服務(wù)。在暴雨來臨之前，相關(guān)人員可以基于排水管網(wǎng)的數(shù)字孿生模型進(jìn)行緊急排水任務(wù)演練，為即將到來的暴雨做好充足的準(zhǔn)備。在突降暴雨時，數(shù)字孿生城市排水管網(wǎng)能夠?qū)崟r獲取各個排水管道中的水位線、水流量等數(shù)據(jù)，并以此為依據(jù)，對城市排水系統(tǒng)進(jìn)行合理調(diào)度，盡量均衡全市各個區(qū)域的排水壓力。在暴雨過后，相關(guān)部門可根據(jù)排水系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)，回顧排水系統(tǒng)在暴雨期間的作業(yè)過程細(xì)節(jié)，進(jìn)而針對其不足進(jìn)行調(diào)整和完善。

交通擁堵和交通事故都是人們在出行時不希望發(fā)生的事。如果為每輛汽車構(gòu)建數(shù)字孿生模型，讓汽車掌握自身的狀態(tài)和位置信息，基于大量行駛數(shù)據(jù)和檢修數(shù)據(jù)，汽車可以預(yù)測自己在何時何處可能發(fā)生故障，并通過提前保養(yǎng)來避免半路拋錨等問題。此外，如果為汽車增加感知道路和行人的傳感器，并為每輛汽車安裝通信模塊從而實現(xiàn)車輛之間的信息互聯(lián)，數(shù)字孿生汽車甚至能提供自動駕駛服務(wù)，進(jìn)而可以基于多車同步啟停服務(wù)避免擁堵，基于避讓行人和避讓車輛服務(wù)避免交通事故。

生老病死是每個人都會有的經(jīng)歷，但如果人們能預(yù)知疾病的發(fā)生，提前預(yù)防，這將大幅提高人類的生存質(zhì)量。目前，科學(xué)家們已計劃開展構(gòu)建人體數(shù)字孿生模型的研究，以期準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)人體的一系列生理機(jī)能，為探索疾病演化規(guī)律和預(yù)測疾病提供基礎(chǔ)。

（張迪摘自《環(huán)球》2021年第12期）