淺談數(shù)字孿生

王銳

上海郵電設(shè)計咨詢研究院有限公司 上海 200092

1 數(shù)字孿生簡介

目前，數(shù)字孿生尚未形成統(tǒng)一的定義，但其作為觀察與認識物理世界、研究與改造物理世界的新型方法論與重要手段，備受發(fā)達國家與高速發(fā)展中國家學術(shù)界、工業(yè)界與政府部門的關(guān)注。

1.1 數(shù)字孿生的認知

美國密歇根大學教授Michael Grieves在2002年提出了產(chǎn)品生命周期管理理想狀態(tài)——“通過物理設(shè)備的數(shù)據(jù)，在虛擬空間構(gòu)建1個可以表征該物理設(shè)備的虛擬實體和子系統(tǒng)；并且這種聯(lián)系不是單向和靜態(tài)的，而是在整個產(chǎn)品的生命周期中都聯(lián)系在一起的”，這是數(shù)字孿生概念首次被科學家提及。我國陶飛教授認為，數(shù)字孿生是以數(shù)字化的方式建立物理實體的多維、多時空尺度、多學科、多物理量的動態(tài)虛擬模型來仿真和刻畫物理實體在真實環(huán)境中的屬性、行為、規(guī)則等。目前科學界各方對數(shù)字孿生的說法不一，但對數(shù)字孿生的核心要素基本達到一致共識，即其內(nèi)容包括物理實體、虛擬模型、數(shù)據(jù)、連接技術(shù)、交互應(yīng)用軟件[1]。

1.2 數(shù)字孿生的現(xiàn)狀

根據(jù)目前對世界各國數(shù)字孿生的發(fā)展調(diào)研，已有較多世界知名企業(yè)將數(shù)字孿生視為數(shù)字業(yè)務(wù)發(fā)展和企業(yè)拓展的新方向，美國將數(shù)字孿生列為其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地發(fā)展的核心關(guān)鍵技術(shù)，德國將數(shù)字孿生列為其工業(yè)4.0發(fā)展中的重要技術(shù)內(nèi)容。2016-2018年，美國Gartner公司連續(xù)3年將數(shù)字孿生列為年度十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢，Gartner公司認為2019年數(shù)字孿生處于期望膨脹期頂峰，將在未來5年產(chǎn)生爆發(fā)性創(chuàng)新。數(shù)字孿生在我國，中國信通院在2018年發(fā)布了《數(shù)字孿生城市研究報告（2018）》，2020年4月，國家發(fā)展改革委和中央網(wǎng)信辦聯(lián)合發(fā)布了新經(jīng)濟發(fā)展實施方案，將數(shù)字孿生提到了與大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、5G、物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈等新基建設(shè)施并列的高度。上海、南京、北京等城市先后推出了數(shù)字孿生技術(shù)在智慧城市、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造服務(wù)、新基建工程的規(guī)劃和實施方面的建議。目前數(shù)字孿生在我國處于開展頂層布局與探索基礎(chǔ)應(yīng)用的階段。

1.3 數(shù)字孿生的使能技術(shù)

參考目前對數(shù)字孿生使能技術(shù)的主流認識，可將使能技術(shù)分為3大類：連接、計算與交互。

（1）連接技術(shù)

連接技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)、5G等物理實體接入網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)作為數(shù)字孿生的關(guān)鍵使能技術(shù)，實現(xiàn)了物理實體的泛在連接與數(shù)據(jù)采集，為構(gòu)建物理世界向虛擬世界的映射提供了底層基礎(chǔ)。5G具有高速率、低時延、海量連接的服務(wù)能力，支持物理世界大數(shù)據(jù)的實時采集與高強度、高可靠承載，支持虛擬模型優(yōu)化指令的及時反饋，使物理世界與虛擬世界的實時互動成為可能，實現(xiàn)了物理世界與虛擬世界的閉環(huán)交互。

（2）計算技術(shù)

計算技術(shù)包括云計算、邊緣計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈、仿真建模等。云計算為數(shù)字孿生提供了泛在便捷、成本可行的存儲與算力資源，夯實了數(shù)字孿生應(yīng)用與發(fā)展的資源底座。邊緣計算提供最近端服務(wù)，支持基礎(chǔ)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與關(guān)鍵數(shù)據(jù)的本地存儲與處理，降低了應(yīng)用時延，減小了數(shù)據(jù)承載網(wǎng)的傳輸壓力，提升了數(shù)字孿生的實時決策與響應(yīng)能力，強化了安全與隱私保護能級。大數(shù)據(jù)將物理世界生產(chǎn)活動中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一采集、處理與分析，為數(shù)字孿生模型提供了核心數(shù)據(jù)資源，為數(shù)字孿生發(fā)展注入了核心動能?；谌斯ぶ悄?，可以對歷史數(shù)據(jù)進行深入學習，通過知識積累，不斷優(yōu)化數(shù)字孿生模型參數(shù)設(shè)置與策略，數(shù)字孿生進而向物理世界施以優(yōu)化反饋，為生產(chǎn)勞動創(chuàng)造實際價值。區(qū)塊鏈支持數(shù)字孿生中可信任數(shù)據(jù)和資產(chǎn)的可靠共享，支持數(shù)據(jù)可視化追溯與有效性校驗，提升了數(shù)據(jù)與模型的安全性，是數(shù)字治理的重要技術(shù)手段。數(shù)字建模是數(shù)字孿生的核心技術(shù)環(huán)節(jié)，基于數(shù)字建模，用簡化的數(shù)字系統(tǒng)來表征復(fù)雜的物理系統(tǒng)，協(xié)同人工智能等其他使能技術(shù)，形成物理世界與虛擬世界的交互策源地[2]。

（3）交互技術(shù)

交互技術(shù)包括靈境技術(shù)（如增強現(xiàn)實AR、虛擬現(xiàn)實VR、混合現(xiàn)實MR及全息技術(shù)）、機器人技術(shù)、通用開放接口等。靈境技術(shù)是通過虛擬畫面與現(xiàn)實場景或數(shù)字化現(xiàn)實場景的疊加、三維立體畫面的構(gòu)造，為數(shù)字孿生的使用者與管理者提供沉浸、精準的交互體驗。機器人可承受高工作強度與危險惡劣的工作環(huán)境，作為傳感器，能夠感知廣域多維的物理場景數(shù)據(jù)，作為決策執(zhí)行者，能夠執(zhí)行高精準度的勞動操作，機器人技術(shù)本身作為數(shù)字孿生的應(yīng)用實體，將與數(shù)字孿生協(xié)同發(fā)展。通用開放接口支持數(shù)字孿生長期演進、長生命周期服務(wù)、方便不同領(lǐng)域數(shù)字孿生系統(tǒng)的對接、嵌套與協(xié)作，為構(gòu)建全球數(shù)字孿生體系提供了可能性。

2 數(shù)字孿生的應(yīng)用

隨著國家推進數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展與城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型，加快了數(shù)字社會的步伐，數(shù)字孿生也得以加快應(yīng)用，滲透在我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的各個領(lǐng)域。數(shù)字化技術(shù)已成為一種新型的經(jīng)濟和社會發(fā)展變革的核心驅(qū)動力量，正在重新定義生產(chǎn)力和生產(chǎn)關(guān)系。而數(shù)字孿生是數(shù)字化發(fā)展到一定程度的必然結(jié)果，是一套相關(guān)使能技術(shù)與應(yīng)用的綜合集成體系。隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展與演進，數(shù)字技術(shù)應(yīng)用的深化與創(chuàng)新，數(shù)字孿生也將不斷壯大，加快豐富技術(shù)體系和拓展應(yīng)用場景[3]。

2.1 基礎(chǔ)級應(yīng)用

人、物、自然從物理世界到虛擬世界的高精度、高保真的同步態(tài)勢映射，通過與AR、VR、MR等靈境技術(shù)的融合，進行實時監(jiān)測等生產(chǎn)活動，即為數(shù)字孿生的基礎(chǔ)級應(yīng)用。相關(guān)應(yīng)用包括施工進度監(jiān)測與施工人員監(jiān)測、在服機器（設(shè)備）的工況感知與運維監(jiān)測、精密設(shè)備（器件）的裝配與維修、建筑物沉降觀測與質(zhì)量評估、災(zāi)害監(jiān)測與災(zāi)情演示、數(shù)字化人體建模等。數(shù)字孿生的基礎(chǔ)級應(yīng)用側(cè)重于物理世界到虛擬世界的高可靠映射，通過知識信息的可視化，向生產(chǎn)管理者提供行為依據(jù)，生產(chǎn)管理者進行分析后針對物理實體發(fā)起直接的管理行為。基礎(chǔ)級應(yīng)用僅向管理者提供可視化數(shù)字態(tài)勢映射，數(shù)字孿生的優(yōu)化反饋效果尚不明顯，管理行為仍由管理者在物理世界直接發(fā)起，物理世界與虛擬世界的交互尚不充分[4]。

2.2 交互級應(yīng)用

依托物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等物理實體接入平臺，采集海量數(shù)據(jù)，利用5G、人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈等技術(shù)，構(gòu)建相應(yīng)的虛擬模型，借助交互軟件，實現(xiàn)虛擬模型的修改與仿真以及物理實體與虛擬模型一定程度的互操作，即為交互級應(yīng)用。相關(guān)應(yīng)用包括供應(yīng)鏈數(shù)字化與優(yōu)化，人體健康管理，精密設(shè)備運行監(jiān)測與故障點預(yù)警、建筑設(shè)計與運營優(yōu)化，工業(yè)制造監(jiān)測與決策優(yōu)化，農(nóng)作物生長監(jiān)測與預(yù)測等。數(shù)字孿生的交互級應(yīng)用側(cè)重于利用物理世界大數(shù)據(jù)與機器學習，搭建與更新虛擬模型，利用模型進行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果，通過交互軟件發(fā)起對物理實體的優(yōu)化行為。交互級應(yīng)用淡化了物理世界與虛擬世界的空間壁障，放大了數(shù)字孿生的優(yōu)化反饋效應(yīng)，深化了適應(yīng)數(shù)字生產(chǎn)力的數(shù)字化生產(chǎn)關(guān)系。

2.3 遠景級應(yīng)用

加強多源異構(gòu)超大數(shù)據(jù)的多維采集，以機器深度學習與高性能算力為牽引，施以數(shù)字孿生的分層分支嵌套，實現(xiàn)高可靠仿真，形成決策工具，打造未來人類認識與改造世界的新工具，即為遠景級應(yīng)用。相關(guān)應(yīng)用包括數(shù)字人體與疾病防治、極低人為干預(yù)的智能制造、科學研究與虛擬實驗、數(shù)字公民與數(shù)字政府、數(shù)字城市感知與管理、數(shù)字地球與全球治理等。數(shù)字孿生的遠景級應(yīng)用通過超大物理數(shù)據(jù)和多元虛擬模型雙驅(qū)動，持續(xù)不斷地進行仿真、預(yù)測、優(yōu)化與反饋，進一步打破物理世界與虛擬世界的交互瓶頸，實現(xiàn)物理世界與虛擬世界的互聯(lián)互通、深度融合。數(shù)字孿生將成為支撐經(jīng)濟數(shù)字化轉(zhuǎn)型和社會治理的發(fā)展新范式，將重構(gòu)生產(chǎn)力與生產(chǎn)關(guān)系、上層建筑和經(jīng)濟基礎(chǔ)的辯證關(guān)系，將成為集理論推理與實驗驗證為一體的方法論。

3 數(shù)字孿生的暢想

隨著我國乃至全球主要國家的社會經(jīng)濟數(shù)字化轉(zhuǎn)型，數(shù)字孿生的使能技術(shù)與應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒌玫讲粩嗤卣?，人類社會的生產(chǎn)力與生產(chǎn)關(guān)系將不斷變革[5]。

3.1 數(shù)字方法論

數(shù)字孿生分析歷史數(shù)據(jù)，采集實時信息，對未來進行預(yù)測，在數(shù)字空間中打造過去、現(xiàn)在、將來的閉環(huán)結(jié)構(gòu)，并提出有參考價值的優(yōu)化策略，將成為人類常用的認識與改造世界的普適方法論。

3.2 數(shù)字地球

在未來，眾多的數(shù)字孿生系統(tǒng)，可通過統(tǒng)一開放的接口連接重構(gòu)為多元復(fù)雜的數(shù)字孿生體系，進而演進為萬物孿生的數(shù)字地球，物理時空的壁障將進一步被打破，全人類將共同擁有一個開放、共享、包容的數(shù)字服務(wù)平臺。

3.3 倫理與法制

數(shù)字孿生將促使物理世界與虛擬世界的深度融合，而靈境技術(shù)將使得兩者的邊界進一步模糊，數(shù)字孿生可以為人們提供逼真的服務(wù)體驗，人類將對虛擬世界發(fā)起更多樣的訴求，道德倫理將受到挑戰(zhàn)，基于物理世界與虛擬世界存在一定的交互性，現(xiàn)實世界存在受到虛擬行為間接破壞的可能性，數(shù)字犯罪的防控與虛擬世界的法制建設(shè)將成為新的研究課題[6]。