數(shù)字孿生邁向“技術(shù)+應(yīng)用”雙驅(qū)動(dòng)時(shí)代

劉艷

大規(guī)模、多尺度的數(shù)字孿生可視化與仿真分析將成為未來城市、工業(yè)、交通等多行業(yè)的共性需求，但由于物理世界的連續(xù)性和復(fù)雜性，全息精細(xì)的刻畫和模擬仿真仍存在難點(diǎn)，融合了機(jī)器學(xué)習(xí)、多尺度建模以及分布式高性能計(jì)算的技術(shù)將是解決此類問題的關(guān)鍵。

盡管大規(guī)模應(yīng)用仍處于起步階段，但以“模擬仿真”為起點(diǎn)的數(shù)字孿生技術(shù)（Digital Twin）價(jià)值越發(fā)明顯，已成為政產(chǎn)學(xué)研用等各界的重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域。

近日，深圳市騰訊計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有限公司（以下簡(jiǎn)稱騰訊）發(fā)布《騰訊數(shù)字孿生云白皮書》（以下簡(jiǎn)稱《白皮書》），并宣布在業(yè)內(nèi)首推數(shù)字孿生云服務(wù)，再次引發(fā)了各界對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)及應(yīng)用場(chǎng)景的關(guān)注。

數(shù)字孿生也被稱為數(shù)字雙胞胎，其定義比較復(fù)雜，簡(jiǎn)單地說，就是把現(xiàn)實(shí)世界映射到虛擬世界，通過感知、計(jì)算等實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合、認(rèn)知預(yù)判。也就是說，數(shù)字孿生是在虛擬環(huán)境中構(gòu)建現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，模擬生活生產(chǎn)中的運(yùn)營(yíng)邏輯。

而按照《白皮書》給出的定義，數(shù)字孿生是對(duì)物理實(shí)體的數(shù)字化表達(dá)，以歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，融合幾何、機(jī)理、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等多種數(shù)字模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理對(duì)象的映射呈現(xiàn)、分析優(yōu)化、診斷預(yù)測(cè)以及閉環(huán)控制。

那么，數(shù)字孿生從何而來？

通常認(rèn)為，數(shù)字孿生的概念起源于美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的“阿波羅計(jì)劃”。該計(jì)劃構(gòu)建了兩個(gè)相同的航天飛行器，其中一個(gè)發(fā)射到太空?qǐng)?zhí)行任務(wù)，另一個(gè)在地球上用于反映航天器任務(wù)期間的工作狀態(tài)，輔助工程師分析處理太空中出現(xiàn)的緊急事件。

2003年，美國(guó)密歇根大學(xué)教授完善了數(shù)字孿生技術(shù)體系，使其逐漸應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域全流程管理。近年來，隨著智能化、網(wǎng)聯(lián)化、數(shù)字化的發(fā)展，數(shù)字孿生加速落地，成為產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的核心技術(shù)之一。

數(shù)字孿生概念的誕生雖然只有10多年，但經(jīng)過持續(xù)迭代和實(shí)踐探索，近年來相關(guān)研究論文數(shù)量呈井噴式增長(zhǎng)，各行各業(yè)從“廣而論道”轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)實(shí)踐，使其成為炙手可熱的現(xiàn)象級(jí)技術(shù)，而隨著元宇宙的火爆，數(shù)字孿生更加受到熱捧。

但中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)工程院院士、武漢大學(xué)教授李德仁提出，不應(yīng)將元宇宙和數(shù)字孿生混為一談，前者并不是后者的高級(jí)形態(tài)。

李德仁指出，數(shù)字孿生概念清晰，是現(xiàn)實(shí)世界在網(wǎng)絡(luò)空間中的真實(shí)反饋，無論是數(shù)字孿生工廠、數(shù)字孿生城市，甚至是數(shù)字孿生地球，本意都是通過網(wǎng)絡(luò)空間的模擬、仿真等還原真實(shí)世界并影響現(xiàn)實(shí)生活，不會(huì)存在類似“神話”“游戲”等憑空想象的因素。與數(shù)字孿生相比，現(xiàn)在火爆的元宇宙概念其實(shí)并不太清晰。

《白皮書》指出，數(shù)字孿生技術(shù)體系涉及數(shù)字支撐、孿生構(gòu)建、人機(jī)交互三大類技術(shù)，隨著這些技術(shù)的不斷創(chuàng)新升級(jí)，數(shù)字孿生的實(shí)時(shí)性、精準(zhǔn)性、靈活性和交互性得以進(jìn)一步提升。

其中，幾何建模及展示技術(shù)路徑呈現(xiàn)出多樣化趨勢(shì)，推動(dòng)了數(shù)字孿生向建模高效、實(shí)時(shí)展示、部署靈活的方向發(fā)展；物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字線程、大數(shù)據(jù)為數(shù)字孿生提供了數(shù)據(jù)支撐能力，人工智能也促進(jìn)了數(shù)字孿生的預(yù)測(cè)能力；仿真建模開始走向集成化和實(shí)時(shí)化，助力數(shù)字孿生構(gòu)建精確模型；數(shù)字支撐技術(shù)持續(xù)迭代，夯實(shí)了數(shù)字孿生的基礎(chǔ)能力；擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)（XR）的沉浸式交互能力，拓展了數(shù)字孿生的應(yīng)用空間。

作為一項(xiàng)復(fù)合性技術(shù)，數(shù)字孿生以實(shí)時(shí)、精細(xì)、逼真、可計(jì)算的方式，將現(xiàn)實(shí)世界映射于數(shù)字世界。那么，數(shù)字孿生發(fā)展過程中還面臨哪些挑戰(zhàn)？

根據(jù)《白皮書》的歸納，在標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)方面，數(shù)字孿生的應(yīng)用包含了不同結(jié)構(gòu)、不同來源、不同對(duì)象的數(shù)據(jù)以及多尺度、多物理場(chǎng)、多學(xué)科的模型，因此數(shù)據(jù)層面和模型層面的標(biāo)準(zhǔn)亟須統(tǒng)一，另外產(chǎn)品互通等標(biāo)準(zhǔn)的缺失也限制了數(shù)字孿生產(chǎn)品間的協(xié)同配合，所以產(chǎn)品層面的標(biāo)準(zhǔn)也需進(jìn)一步完善；在開源生態(tài)構(gòu)建方面，數(shù)字孿生作為當(dāng)下再次興起的交叉技術(shù)，需要進(jìn)行多角度布局，比如需要里程碑式的開源項(xiàng)目將其技術(shù)推向大規(guī)模工程化應(yīng)用，需要長(zhǎng)期資金支持，需要產(chǎn)業(yè)參與者提高開源及貢獻(xiàn)意識(shí)，需要豐富的開源生態(tài)將活力注入其發(fā)展進(jìn)程中等。

《白皮書》強(qiáng)調(diào)，大規(guī)模、多尺度的數(shù)字孿生可視化與仿真分析將成為未來城市、工業(yè)、交通等多領(lǐng)域的共性需求，但由于物理世界的連續(xù)性和復(fù)雜性，全息精細(xì)的刻畫和模擬仿真仍存在難點(diǎn)，融合了機(jī)器學(xué)習(xí)、多尺度建模以及分布式高性能計(jì)算的技術(shù)將是解決此類問題的關(guān)鍵。

《白皮書》開宗明義，數(shù)字孿生已成為科技戰(zhàn)略和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵抓手。為搶抓數(shù)字孿生發(fā)展機(jī)遇，世界各國(guó)從數(shù)字孿生技術(shù)、應(yīng)用、投資、生態(tài)等維度進(jìn)行了積極布局。

目前我國(guó)多地已將數(shù)字孿生作為需要突破的關(guān)鍵核心技術(shù)列入科技創(chuàng)新規(guī)劃中。

在相關(guān)政策的推動(dòng)下，我國(guó)已逐步形成了“技術(shù)+應(yīng)用”的雙輪驅(qū)動(dòng)體系，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)I造了良好空間，數(shù)字孿生技術(shù)開始向諸多行業(yè)滲透?！栋灼房偨Y(jié)了數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的“制造、能源、城市、建筑、交通、水利”六大行業(yè)和“設(shè)計(jì)/仿真、生產(chǎn)/作業(yè)、服務(wù)/運(yùn)營(yíng)、安全/管理”四大場(chǎng)景，而騰訊基于數(shù)字孿生云提供的云化工具鏈和開發(fā)服務(wù)，已開始助力交通、能源、建筑等行業(yè)進(jìn)行數(shù)字孿生應(yīng)用開發(fā)和迭代。

騰訊云副總裁、騰訊數(shù)字孿生業(yè)務(wù)負(fù)責(zé)人萬超說：“數(shù)字孿生作為復(fù)雜技術(shù)的代表，已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)產(chǎn)業(yè)爆發(fā)期。騰訊打造的數(shù)字孿生相當(dāng)于為產(chǎn)業(yè)提供了一套數(shù)字化的底座，更加開放、更加標(biāo)準(zhǔn)化、更具有普適性，創(chuàng)新應(yīng)用可以在這個(gè)平臺(tái)上培養(yǎng)和生長(zhǎng)?！?/p>

近日，中國(guó)聯(lián)通有限公司河北分公司等單位聯(lián)合搭建的“5G+智慧高速榮烏新線示范應(yīng)用建設(shè)項(xiàng)目”獲第五屆“綻放杯”5G應(yīng)用征集大賽總決賽二等獎(jiǎng)，不僅進(jìn)一步證實(shí)了5G、“北斗”、人工智能、數(shù)字孿生等新一代信息技術(shù)應(yīng)用在交通領(lǐng)域的可能性，而且構(gòu)建出了一套完整的、可落地推廣的智慧高速新模式。

往常，交通監(jiān)管部門進(jìn)行監(jiān)控追蹤時(shí)，大多要通過多個(gè)攝像頭的空中“接力”，“人肉”搜索、確認(rèn)一個(gè)車牌號(hào)的駕駛軌跡，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且容易出錯(cuò)。中國(guó)聯(lián)通有限公司河北分公司搭建的實(shí)時(shí)數(shù)字孿生系統(tǒng)，對(duì)車輛、交通事件、違法行為等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)提取，通過虛擬數(shù)字空間對(duì)現(xiàn)實(shí)交通系統(tǒng)的仿真重建，可實(shí)現(xiàn)車輛軌跡跨鏡頭跟蹤、車輛唯一ID連續(xù)跟蹤、交通事件監(jiān)測(cè)等功能，為交通調(diào)度管理提供了更及時(shí)、更全面的“全息視角”。

盡管數(shù)字孿生的探索應(yīng)用逐漸向行業(yè)全生命周期滲透，但在實(shí)施層面，數(shù)字孿生需要達(dá)到“能交互、可計(jì)算、易應(yīng)用”三個(gè)要求，從產(chǎn)業(yè)角度看，這一賽道的發(fā)展壯大還受限于算力、網(wǎng)速、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)及生態(tài)的成熟。

萬超以建筑行業(yè)為例指出，實(shí)體建筑的虛擬世界建模，以及更底層的引擎、渲染等能力，還有建模軟件等，都是數(shù)字孿生大展拳腳的舞臺(tái)，目前我國(guó)在這些領(lǐng)域還存在短板，但有了產(chǎn)業(yè)需求，就有底層技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用蓬勃發(fā)展的可能性。