從虛擬現(xiàn)實(shí)到數(shù)字孿生

邱元陽(yáng)

新冠疫情重創(chuàng)了全球經(jīng)濟(jì)，也引發(fā)了時(shí)代變革，帶來了數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展機(jī)遇。而數(shù)字經(jīng)濟(jì)的主流方向和前沿陣地，正是以交互為核心的人工智能。

在工業(yè)制造、智慧城市、基建工程、軍事設(shè)施及其他重要領(lǐng)域，人工智能的研究和發(fā)展往往跟虛擬現(xiàn)實(shí)密切相關(guān)，其利用虛擬建模、3D仿真、模擬運(yùn)行等手段，高效完成分析、生產(chǎn)、運(yùn)行的各個(gè)環(huán)節(jié)。

虛擬現(xiàn)實(shí)通過多模態(tài)建模手段營(yíng)造數(shù)字化世界，它具有三個(gè)明顯的特征——沉浸感、交互性和想象性。在虛擬現(xiàn)實(shí)的發(fā)展線中，無論是VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）、AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)），還是XR（擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)）、MR（混合現(xiàn)實(shí)），都是為了構(gòu)建一個(gè)虛擬的世界。而在現(xiàn)實(shí)生活中，最終可能是需要構(gòu)建一個(gè)真實(shí)的世界。用數(shù)字手段來構(gòu)建虛擬的真實(shí)世界，就是數(shù)字孿生。

數(shù)字孿生（Digital Twin）的思想最早源于美國(guó)密歇根大學(xué)教授Michael Grieves于2002年在PLM（產(chǎn)品全生命周期管理）課程中提出的“鏡像空間模型”概念：與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)。2009年，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）提出“機(jī)身數(shù)字孿生體”，數(shù)字孿生自此成為專業(yè)名詞，并為美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）采用。

從概念描述上看，數(shù)字孿生是以模型和數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過多學(xué)科耦合仿真等方法，完成現(xiàn)實(shí)世界中的物理實(shí)體到虛擬世界中的鏡像數(shù)字化模型的精準(zhǔn)映射，并充分利用雙向交互反饋、迭代運(yùn)行，以達(dá)到物理實(shí)體狀態(tài)在數(shù)字空間的同步呈現(xiàn)。簡(jiǎn)單來說，數(shù)字孿生就是依照一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)，生成數(shù)字化的“克隆體”，因此也被稱為數(shù)字映射、數(shù)字鏡像。

數(shù)字孿生的思想邏輯，其實(shí)是來自于物理孿生。美國(guó)宇航局在阿波羅計(jì)劃中，建造了多艘相同的太空飛行器，作為孿生體用于訓(xùn)練，以及模擬在地球模型上的備選方案，得到的飛行數(shù)據(jù)可以較為精確地反映飛行條件。在中國(guó)航天科技集團(tuán)空間技術(shù)研究院的實(shí)驗(yàn)室中，也有一臺(tái)與太空中運(yùn)行的天和核心艙一模一樣的孿生裝備在運(yùn)行，這是地面上1：1的物理在軌運(yùn)營(yíng)支持系統(tǒng)，主要作用就是接收在軌的遙測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)置成跟太空一樣的飛行狀態(tài)，來驗(yàn)證整個(gè)飛行程序，對(duì)空間站的維護(hù)調(diào)整也可以在地面站上先模擬再進(jìn)行。

數(shù)字孿生的實(shí)質(zhì)則是建立現(xiàn)實(shí)世界中物理系統(tǒng)的虛擬數(shù)字鏡像，貫穿于物理系統(tǒng)的全生命周期，并隨著物理系統(tǒng)動(dòng)態(tài)演化。數(shù)字孿生無疑會(huì)影響到第四次工業(yè)革命的發(fā)展，工業(yè)制造領(lǐng)域是數(shù)字孿生的主要戰(zhàn)場(chǎng)。數(shù)字孿生是仿真應(yīng)用的發(fā)展和升級(jí)，依托IoT、大數(shù)據(jù)、VR、AI等技術(shù)，數(shù)字化克隆現(xiàn)實(shí)世界中的真實(shí)存在，模擬甚至預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)存在的運(yùn)行，指導(dǎo)和解決現(xiàn)實(shí)存在遇到的問題，給工業(yè)制造帶來了顯而易見的效率提升和成本下降。在智慧城市領(lǐng)域，BIM（建筑信息模型）利用數(shù)字化手段對(duì)建筑項(xiàng)目的實(shí)體與功能特性進(jìn)行表達(dá)，配合GIS（地理信息系統(tǒng)）和IoT（物聯(lián)網(wǎng)）形成CIM（城市信息模型）應(yīng)用平臺(tái)，也是城市數(shù)字孿生的一種方式。在醫(yī)療、軍事和自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域，也都有數(shù)字孿生施展的空間。

數(shù)字孿生以其巨大的科技優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景，成為與人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)并列的十大戰(zhàn)略性技術(shù)趨勢(shì)之一。信息化正推動(dòng)著人類社會(huì)走向虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的數(shù)字孿生世界，共同邁向“數(shù)字孿生、智慧泛在”的美好前景。