今天我們介紹一個(gè)在産業界如火如荼，但大(dà)衆還(hái)非常陌生的(de)概念：數字孿生（Digital Twin）。

在解釋這(zhè)一晦澀難懂(dǒng)的(de)概念前，我首先想到了(le)一個(gè)人(rén)，前蘇聯著名的(de)昆蟲學家、數學家和(hé)哲學家——柳比歇夫。在26歲那一年，他(tā)獨創了(le)一種“時(shí)間統計法”，可(kě)以通(tōng)過記錄每天做(zuò)的(de)每件事情所花銷時(shí)間，經過統計分(fēn)析，進行每月(yuè)小結和(hé)年終總結，以此來(lái)改進工作方法，計劃未來(lái)事務，從而提高(gāo)對(duì)時(shí)間的(de)利用(yòng)效率。

這(zhè)一“時(shí)間統計法”，他(tā)沿用(yòng)了(le)56年，直到逝世。那麽，他(tā)的(de)學術成果呢(ne)？确實非常驚人(rén)，一生發布了(le)70多(duō)部專著。但他(tā)并不是一個(gè)整日鑽進書(shū)齋裏的(de)老學究，從那本《奇特的(de)一生》中，可(kě)以看到他(tā)的(de)業餘時(shí)間非常充裕，甚至每天隻需工作幾個(gè)小時(shí)，他(tā)還(hái)能完成大(dà)量的(de)社交、旅行還(hái)有休閑。

講到這(zhè)裏，做(zuò)自媒體的(de)我們可(kě)能都會覺得(de)非常慚愧。言歸正傳，這(zhè)裏講到柳比歇夫和(hé)他(tā)的(de)“時(shí)間統計法”，是因爲這(zhè)一方法跟今天要講的(de)“數字孿生”非常相似。他(tā)幾乎忠實的(de)記錄了(le)每天所有事物(wù)的(de)時(shí)間，精确到多(duō)少時(shí)長(cháng)。這(zhè)就仿佛在日記本上完全複刻了(le)一個(gè)柳比歇夫的(de)數字分(fēn)身。我們通(tōng)過觀看他(tā)的(de)這(zhè)本時(shí)間筆記，就能知道他(tā)這(zhè)一生做(zuò)了(le)哪些事情。

如果再将這(zhè)些記錄輸入電腦(nǎo)，做(zuò)出數據表格，打上各種标簽，我們就可(kě)以對(duì)其完成的(de)各類事情進行準确的(de)分(fēn)類統計和(hé)分(fēn)析。如此，我們就能建立一個(gè)更多(duō)維度的(de)柳比歇夫。想一想這(zhè)一辦法用(yòng)在我們身上，是不是也(yě)可(kě)能産生“奇迹”。

不過，“數字孿生”的(de)野心更大(dà)，其想實現的(de)是對(duì)整個(gè)物(wù)理(lǐ)世界的(de)完整的(de)數字映射。

雙11這(zhè)天，中國國際高(gāo)新技術成果交易會發布了(le)工信部的(de)《數字孿生應用(yòng)白皮書(shū)2020版》。借著(zhe)這(zhè)一白皮書(shū)的(de)發布時(shí)機，我們一起來(lái)聊聊數字孿生這(zhè)一概念和(hé)其可(kě)能所帶來(lái)的(de)應用(yòng)場(chǎng)景和(hé)産生的(de)産業變革影(yǐng)響。

“數字孿生”（Digital Twin）這(zhè)一概念正式提出是在NASA的(de)2010年的(de)一份技術報告當中，當時(shí)給出的(de)一個(gè)狹窄定義是“集成了(le)多(duō)物(wù)理(lǐ)量、多(duō)尺度、多(duō)概率的(de)系統或飛(fēi)行器仿真過程”，接下(xià)來(lái)，“數字孿生”概念和(hé)相關技術主要應用(yòng)在航空航天領域的(de)飛(fēi)行器健康管理(lǐ)，包括像機身設計與維修，飛(fēi)行器能力評估，飛(fēi)行器故障預測等應用(yòng)當中。

不過， “孿生”的(de)概念在20世紀60年代就已經出現，當時(shí)美(měi)國NASA在“阿波羅計劃”中，構建了(le)兩個(gè)相同的(de)航天飛(fēi)行器，其中一個(gè)發射到太空執行任務，另一個(gè)留在地球上用(yòng)于反映太空中航天器在任務期間的(de)工作狀态，從而輔助工程師分(fēn)析處理(lǐ)太空中出現的(de)緊急事件。此時(shí)，兩個(gè)航天器都是真實存在的(de)物(wù)理(lǐ)實體，也(yě)就是還(hái)未形成“數字孿生”的(de)概念。

到2003年左右，美(měi)國密歇根大(dà)學教授Grieves首次在“産品的(de)全生命周期管理(lǐ)”課程上提出了(le)“數字孿生”的(de)設想，隻是當時(shí)稱之爲“Conceptual Ideal for Product Lifecycle Management”，PLM的(de)主要構想就是在虛拟空間構建一套數字模型，可(kě)以與物(wù)理(lǐ)實體進行交互映射，完全描述物(wù)理(lǐ)實體全生命周期的(de)運行軌迹。

現在，随著(zhe)數字化(huà)技術在消費互聯網和(hé)産業互聯網的(de)深入應用(yòng)，“數字孿生”概念和(hé)技術得(de)到了(le)更加廣泛地推廣和(hé)應用(yòng)。在2019年，“數字孿生”這(zhè)一術語已經被Gartner列爲2019年十大(dà)戰略性技術趨勢之一。

如何來(lái)理(lǐ)解“數字孿生”概念呢(ne)？從國際标準化(huà)組織的(de)定義來(lái)看，數字孿生是具有數據連接的(de)特定物(wù)理(lǐ)實體或過程的(de)數字化(huà)表達，該數據連接可(kě)以保證物(wù)理(lǐ)狀态和(hé)虛拟狀态之間的(de)同速率收斂，并提供物(wù)理(lǐ)實體或流程過程的(de)整個(gè)生命周期的(de)集成視圖，有助于優化(huà)整體性能。

通(tōng)俗來(lái)講，就是針對(duì)物(wù)理(lǐ)世界的(de)實體，通(tōng)過數字化(huà)手段構建一個(gè)數字世界中的(de)“完整分(fēn)身”，能夠和(hé)物(wù)理(lǐ)實體保持實時(shí)的(de)交互聯接，借助曆史數據、實時(shí)數據以及算(suàn)法模型等，通(tōng)過模拟、驗證、預測、控制物(wù)理(lǐ)實體全生命周期過程，實現對(duì)物(wù)理(lǐ)實體的(de)了(le)解、分(fēn)析和(hé)優化(huà)。

從企業的(de)角度來(lái)看，就是對(duì)企業資産和(hé)流程進行數字化(huà)表示，從而了(le)解、預測和(hé)優化(huà)業務流程以改善業務成果。

從以上定義可(kě)以看到，數字孿生所具有的(de)特征，包括：

1、互操作性，即數字孿生中的(de)物(wù)理(lǐ)實體和(hé)數字空間的(de)虛拟實體能夠雙向映射、動态交互和(hé)實時(shí)連接。

2、可(kě)擴展性，即數字孿生技術具備集成、添加和(hé)替換的(de)能力，能夠針對(duì)多(duō)尺度、多(duō)物(wù)理(lǐ)、多(duō)層級的(de)數字模型内容進行擴展。

3、實時(shí)性，即數字化(huà)虛拟實體可(kě)對(duì)物(wù)理(lǐ)實體進行随時(shí)間軸變化(huà)而進行實時(shí)狀态的(de)數字表征。

4、保真性，即數字化(huà)虛拟實體與物(wù)理(lǐ)實體保持在樣态、狀态、相态和(hé)時(shí)态上的(de)高(gāo)度仿真。

5、閉環性，即數字化(huà)虛拟實體可(kě)以描述物(wù)理(lǐ)實體的(de)可(kě)視化(huà)模型和(hé)内在機理(lǐ)，以便對(duì)物(wù)理(lǐ)實體狀态數據進行監視、分(fēn)析、推理(lǐ)、優化(huà)工藝參數和(hé)運行參數，實現決策功能，形成閉環性。

以上是對(duì)“數字孿生”概念和(hé)技術特征的(de)理(lǐ)論介紹，我們可(kě)以用(yòng)一個(gè)切實的(de)例子就可(kě)以理(lǐ)解這(zhè)項技術。

假如宇航員(yuán)要在外太空執行一項非常緊急又事關空間站安危的(de)艙外修複任務，如果環境特别危險，也(yě)沒有機會進行預演和(hé)試錯，那麽我們該怎麽辦？

如果我們有一套整個(gè)空間站的(de)數字孿生系統，宇航員(yuán)就可(kě)以模拟出一個(gè)和(hé)現實狀況一樣的(de)虛拟環境，進行反複試驗，直到找出最好的(de)操作方式和(hé)流程，甚至最終可(kě)以直接将這(zhè)套方案輸入太空機器人(rén)的(de)程序中，交給機器人(rén)用(yòng)精确無誤的(de)方式完成艙外修複任務，避免人(rén)爲試錯的(de)巨大(dà)風險。如此，我們就可(kě)以理(lǐ)解數字孿生的(de)實現特點和(hé)重要價值了(le)。

那麽，數字孿生可(kě)以應用(yòng)在哪些領域呢(ne)？

當前，在國内外複雜(zá)的(de)經濟政治格局下(xià)，數字經濟在推動經濟發展，提高(gāo)勞動生産率，培育新市場(chǎng)和(hé)産業新增長(cháng)點，實現包容性增長(cháng)和(hé)可(kě)持續增長(cháng)等諸多(duō)方面都在發揮著(zhe)重要作用(yòng)。根據最新數據，2019年數字經濟占據我國GDP的(de)比重已經達到36.2%，數字經濟增加值規模達到35.8萬億元。

數字孿生作爲數字經濟當中一項關鍵技術和(hé)高(gāo)效能工具，可(kě)以有效發揮其在模型設計、數據采集、分(fēn)析預測、模拟仿真等方面的(de)作用(yòng)，助力推進産業數字化(huà)，促進數字經濟與實體經濟融合發展。

現在，得(de)益于物(wù)聯網、大(dà)數據、雲計算(suàn)、人(rén)工智能等新一代信息技術的(de)發展，數字孿生在各領域得(de)到越來(lái)越廣泛的(de)應用(yòng)實施。

（圖源：《數字孿生應用(yòng)白皮書(shū)2020版》，下(xià)同）

通(tōng)過這(zhè)一白皮書(shū)的(de)介紹，我們可(kě)以重點從工業制造、智慧城(chéng)市以及智慧醫療這(zhè)三個(gè)重要場(chǎng)景來(lái)了(le)解下(xià)數字孿生的(de)應用(yòng)。

在工業制造領域，存在的(de)一大(dà)問題就是因信息多(duō)源、異構、異地、分(fēn)散形成的(de)信息孤島，難以發揮信息數字化(huà)的(de)價值。數字孿生爲工業生産建立起了(le)可(kě)以投射物(wù)理(lǐ)設備的(de)虛拟空間，能夠仿真複雜(zá)的(de)制造工藝，實現産品設計、制造和(hé)智能服務等閉環優化(huà)。

比如在工業産品世界中，虛拟的(de)數字孿生空間可(kě)以預先完成産品的(de)部件設計修改、尺寸裝配等模拟工作，不需要實際生産和(hé)驗證，從而大(dà)幅降低産品的(de)驗證工作和(hé)工期成本。在制造生産中，爲避免意外事故，可(kě)以在虛拟數字空間中進行設備診斷、過程模拟等仿真預測，從而防止現場(chǎng)故障、生産異常産生的(de)嚴重後果。

另外，一套完整的(de)數字孿生的(de)制造系統，相比較傳統的(de)制造系統，具有生産要素多(duō)樣、動态生産路徑配置、人(rén)機物(wù)自主通(tōng)信、自組織和(hé)可(kě)數據支撐決策等特點，可(kě)以統籌協調系統内外部變化(huà)，實現資源能源優化(huà)配置。

在智慧城(chéng)市建設中，面臨著(zhe)新型技術聚合式創新的(de)技術瓶頸，推動智慧城(chéng)市的(de)有機融合的(de)統一ICT架構模塊尚未實現，城(chéng)市運行和(hé)治理(lǐ)的(de)水(shuǐ)平有量的(de)提升而沒有質的(de)飛(fēi)躍；同時(shí)，推動智慧城(chéng)市建設的(de)市場(chǎng)和(hé)行政的(de)邊界尚不清晰，資源共享和(hé)業務系統機制沒有建立起來(lái)。

數字孿生城(chéng)市的(de)提出，正是要在将城(chéng)市的(de)人(rén)、物(wù)、事件等所有要素數字化(huà)，在網絡空間再造一個(gè)相對(duì)于的(de)“虛拟城(chéng)市”，形成物(wù)理(lǐ)實體世界和(hé)信息維度的(de)數字虛拟世界的(de)共生共存、虛實結合的(de)一種形态。借助數字孿生城(chéng)市，可(kě)以提升城(chéng)市的(de)整體規劃質量，提前謀劃、科學驗證，避免不切實際的(de)規劃，也(yě)提升規劃的(de)效率。基于全城(chéng)市要素的(de)數據，可(kě)以推動以人(rén)爲核心的(de)城(chéng)市設計、交通(tōng)規劃等，具體到設計層面，可(kě)以實現1:1複原城(chéng)市原貌空間，進行細化(huà)顆粒度到建築、道路、管線、設備等底層規劃，具體到施工層面，可(kě)以進行工程施工的(de)可(kě)視化(huà)管理(lǐ)和(hé)環境的(de)實時(shí)監測。另外，在城(chéng)市管理(lǐ)上，借助數字孿生技術，可(kě)以建設數字駕駛艙以數字化(huà)方式展現現在城(chéng)市運營态勢，實現城(chéng)市管理(lǐ)決策協同化(huà)和(hé)智能化(huà)，推動像虛拟交互、智慧服務等城(chéng)市公共服務系統。

在智慧醫療的(de)建設上，一系列移動監測、移動診室、無線遠(yuǎn)程會診、智慧處方、醫療信息雲存儲等智能技術手段的(de)應用(yòng)，正在提升城(chéng)市醫療的(de)覆蓋面，提升醫療資源分(fēn)配的(de)效率。

未來(lái)，數字孿生技術在實現全社會“電子醫療”服務體系中，将發揮重要作用(yòng)。比如，基于患者的(de)健康檔案、就醫史、用(yòng)藥史、智能可(kě)穿戴設備監測數據等信息可(kě)在雲端爲患者建立“醫療數字孿生”，在生物(wù)芯片、增強分(fēn)析、邊緣計算(suàn)、人(rén)工智能等技術的(de)支撐下(xià)模拟人(rén)體運作，實現對(duì)醫療個(gè)體健康狀況預測分(fēn)析和(hé)精準醫療診斷。

通(tōng)過“醫療數字孿生”，可(kě)以實現對(duì)患者的(de)精準醫療，實時(shí)的(de)健康監測管理(lǐ)和(hé)遠(yuǎn)程醫療，從而實現醫療監護設備的(de)小型化(huà)，發展智慧家庭健康保健、健康監護，大(dà)幅降低城(chéng)市公衆醫療負擔，緩解城(chéng)市醫療資源緊缺的(de)壓力。

當然，除了(le)像一開始介紹的(de)航空航天領域，數字孿生還(hái)可(kě)以被廣泛應用(yòng)于電力、船舶、交通(tōng)、農業、建築、石油天然氣、環境保護等幾乎所有行業，可(kě)謂是數字經濟的(de)未來(lái)“基石”。

在這(zhè)本白皮書(shū)當中，對(duì)數字孿生産業的(de)相關版圖進行了(le)極爲詳盡的(de)介紹。而我們隻能管中窺豹式的(de)進行一番産業版圖的(de)速覽，來(lái)看下(xià)數字孿生技術将具有怎樣的(de)産業影(yǐng)響力。

數字孿生的(de)産業版圖可(kě)以從其技術生态系統的(de)圖譜來(lái)了(le)解，白皮書(shū)将數字孿生劃分(fēn)爲“基礎支撐”、“數據互動”、“模型構建”、“仿真分(fēn)析”、“共性應用(yòng)”、“行業應用(yòng)” 6大(dà)核心模塊，對(duì)應從設備、數據到行業應用(yòng)的(de)全生命周期。

目前，國内外主要廠商主要有建模業務、仿真業務、平台業務、行業服務業務四大(dà)類。

在基礎支撐層面，主要是可(kě)以構建數字孿生基礎的(de)物(wù)聯網終端提供芯片、傳感器業務等廠商。目前來(lái)說現在全球所有芯片巨頭都将物(wù)聯網芯片作爲未來(lái)的(de)主要戰場(chǎng)，物(wù)聯網傳感器也(yě)是衆多(duō)美(měi)國、日本、德國半導體公司争奪的(de)主要市場(chǎng)。另外像監控設備這(zhè)樣的(de)邊緣設備，我國的(de)企業具有比較強的(de)優勢。

在數據互動層，數字孿生的(de)構建需要通(tōng)過軟件定義的(de)工具和(hé)平台提供支持，目前這(zhè)些工具和(hé)平台主要都掌握在國際的(de)軟件巨頭手中，比如Bentley 的(de) iTwin Service， ANSYS 的(de) TwinBuilder，微軟的(de) Azure，達索的(de)3D Experience 等。

在仿真分(fēn)析層，爲數字化(huà)模型中融入物(wù)理(lǐ)規律和(hé)機理(lǐ)的(de)計算(suàn)、分(fēn)析等能力，必須使用(yòng)到仿真軟件，包括像CAD、EDA等工業仿真軟件和(hé)像交通(tōng)、物(wù)流領域的(de)複雜(zá)系統仿真軟件。目前我國在仿真軟件的(de)國産化(huà)上，還(hái)無法達到國外一線産品的(de)水(shuǐ)平。

在模型構建層，在我國主要進行數字化(huà)建模服務的(de)企業以國有測繪企業爲主，市場(chǎng)規模目前達到數百億，但提供測繪數據服務的(de)軟件仍以采購(gòu)國外軟件爲主。

在共性應用(yòng)層，也(yě)同樣依靠國外主流的(de)這(zhè)幾家軟件工具和(hé)平台提供支持，雖然目前還(hái)缺乏融合數字孿生綜合功能需求的(de)一體化(huà)平台出現，但是不同行業、應用(yòng)場(chǎng)景的(de)邊界正在打通(tōng)。

在支撐技術層，面向雲計算(suàn)、人(rén)工智能、邊緣計算(suàn)、安全等技術領域的(de)企業都在從其自身優勢領域切入數字孿生的(de)産業布局中。

在行業應用(yòng)層，聚集了(le)數千家國内外企業，針對(duì)各行業需求的(de)數字孿生技術，提供包括像智慧城(chéng)市、交通(tōng)、水(shuǐ)利、工程、工業生産、能源、自動駕駛、公共應急等領域的(de)各種應用(yòng)服務，有些行業市場(chǎng)規模都普遍超千億，智慧城(chéng)市更是一個(gè)綜合規模上萬億的(de)巨無霸市場(chǎng)。

整體上，仍然是具有基礎軟件平台的(de)企業有先發優勢和(hé)實力，而像國内的(de)一些制造企業也(yě)在積極部署數字孿生系統，開始推進這(zhè)一惠及萬億規模産業變革的(de)新藍海。

根據Gartner 的(de)研究，截至2019年1月(yuè)進行物(wù)聯網建設的(de)企業中，已有13%的(de)企業實施了(le)數字孿生項目，還(hái)有62%的(de)企業正在實施或者有計劃實施。無論是數字孿生的(de)産學研生态，還(hái)是在各行業中的(de)産業應用(yòng)，數字孿生正在全面開花，成爲無論是産業互聯網還(hái)是新基建等宏觀布局中重要的(de)技術支撐。

也(yě)是在2019年初，凱文·凱利在《連線》雜(zá)志發文，提出“鏡像世界”的(de)概念。他(tā)把“鏡像世界”當作互聯網曆史上第三次劃時(shí)代意義的(de)的(de)技術平台，第一次是PC上将信息數字化(huà)的(de)萬維網，第二次是移動時(shí)代将人(rén)類數字化(huà)的(de)社交媒體，第三次就是将整個(gè)世界數字化(huà)的(de)“鏡像世界”。