数字孪生迈向“技术+应用”双驱动时代

刘艳

大规模、多尺度的数字孪生可视化与仿真分析将成为未来城市、工业、交通等多行业的共性需求，但由于物理世界的连续性和复杂性，全息精细的刻画和模拟仿真仍存在难点，融合了机器学习、多尺度建模以及分布式高性能计算的技术将是解决此类问题的关键。

尽管大规模应用仍处于起步阶段，但以“模拟仿真”为起点的数字孪生技术（Digital Twin）价值越发明显，已成为政产学研用等各界的重点关注领域。

近日，深圳市腾讯计算机系统有限公司（以下简称腾讯）发布《腾讯数字孪生云白皮书》（以下简称《白皮书》），并宣布在业内首推数字孪生云服务，再次引发了各界对数字孪生技术及应用场景的关注。

数字孪生也被称为数字双胞胎，其定义比较复杂，简单地说，就是把现实世界映射到虚拟世界，通过感知、计算等实现虚实融合、认知预判。也就是说，数字孪生是在虚拟环境中构建现实场景，模拟生活生产中的运营逻辑。

而按照《白皮书》给出的定义，数字孪生是对物理实体的数字化表达，以历史数据、实时数据为基础，融合几何、机理、数据驱动等多种数字模型，实现对物理对象的映射呈现、分析优化、诊断预测以及闭环控制。

那么，数字孪生从何而来？

通常认为，数字孪生的概念起源于美国国家航空航天局（NASA）的“阿波罗计划”。该计划构建了两个相同的航天飞行器，其中一个发射到太空执行任务，另一个在地球上用于反映航天器任务期间的工作状态，辅助工程师分析处理太空中出现的紧急事件。

2003年，美国密歇根大学教授完善了数字孪生技术体系，使其逐渐应用于工业领域全流程管理。近年来，随着智能化、网联化、数字化的发展，数字孪生加速落地，成为产业数字化的核心技术之一。

数字孪生概念的诞生虽然只有10多年，但经过持续迭代和实践探索，近年来相关研究论文数量呈井喷式增长，各行各业从“广而论道”转向产业实践，使其成为炙手可热的现象级技术，而随着元宇宙的火爆，数字孪生更加受到热捧。

但中國科学院院士、中国工程院院士、武汉大学教授李德仁提出，不应将元宇宙和数字孪生混为一谈，前者并不是后者的高级形态。

李德仁指出，数字孪生概念清晰，是现实世界在网络空间中的真实反馈，无论是数字孪生工厂、数字孪生城市，甚至是数字孪生地球，本意都是通过网络空间的模拟、仿真等还原真实世界并影响现实生活，不会存在类似“神话”“游戏”等凭空想象的因素。与数字孪生相比，现在火爆的元宇宙概念其实并不太清晰。

《白皮书》指出，数字孪生技术体系涉及数字支撑、孪生构建、人机交互三大类技术，随着这些技术的不断创新升级，数字孪生的实时性、精准性、灵活性和交互性得以进一步提升。

其中，几何建模及展示技术路径呈现出多样化趋势，推动了数字孪生向建模高效、实时展示、部署灵活的方向发展；物联网、数字线程、大数据为数字孪生提供了数据支撑能力，人工智能也促进了数字孪生的预测能力；仿真建模开始走向集成化和实时化，助力数字孪生构建精确模型；数字支撑技术持续迭代，夯实了数字孪生的基础能力；扩展现实技术（XR）的沉浸式交互能力，拓展了数字孪生的应用空间。

作为一项复合性技术，数字孪生以实时、精细、逼真、可计算的方式，将现实世界映射于数字世界。那么，数字孪生发展过程中还面临哪些挑战？

根据《白皮书》的归纳，在标准体系建设方面，数字孪生的应用包含了不同结构、不同来源、不同对象的数据以及多尺度、多物理场、多学科的模型，因此数据层面和模型层面的标准亟须统一，另外产品互通等标准的缺失也限制了数字孪生产品间的协同配合，所以产品层面的标准也需进一步完善；在开源生态构建方面，数字孪生作为当下再次兴起的交叉技术，需要进行多角度布局，比如需要里程碑式的开源项目将其技术推向大规模工程化应用，需要长期资金支持，需要产业参与者提高开源及贡献意识，需要丰富的开源生态将活力注入其发展进程中等。

《白皮书》强调，大规模、多尺度的数字孪生可视化与仿真分析将成为未来城市、工业、交通等多领域的共性需求，但由于物理世界的连续性和复杂性，全息精细的刻画和模拟仿真仍存在难点，融合了机器学习、多尺度建模以及分布式高性能计算的技术将是解决此类问题的关键。

《白皮书》开宗明义，数字孪生已成为科技战略和产业转型的关键抓手。为抢抓数字孪生发展机遇，世界各国从数字孪生技术、应用、投资、生态等维度进行了积极布局。

目前我国多地已将数字孪生作为需要突破的关键核心技术列入科技创新规划中。

在相关政策的推动下，我国已逐步形成了“技术+应用”的双轮驱动体系，为产业发展营造了良好空间，数字孪生技术开始向诸多行业渗透。《白皮书》总结了数字孪生技术应用的“制造、能源、城市、建筑、交通、水利”六大行业和“设计/仿真、生产/作业、服务/运营、安全/管理”四大场景，而腾讯基于数字孪生云提供的云化工具链和开发服务，已开始助力交通、能源、建筑等行业进行数字孪生应用开发和迭代。

腾讯云副总裁、腾讯数字孪生业务负责人万超说：“数字孪生作为复杂技术的代表，已经进入一个产业爆发期。腾讯打造的数字孪生相当于为产业提供了一套数字化的底座，更加开放、更加标准化、更具有普适性，创新应用可以在这个平台上培养和生长。”

近日，中国联通有限公司河北分公司等单位联合搭建的“5G+智慧高速荣乌新线示范应用建设项目”获第五届“绽放杯”5G应用征集大赛总决赛二等奖，不仅进一步证实了5G、“北斗”、人工智能、数字孪生等新一代信息技术应用在交通领域的可能性，而且构建出了一套完整的、可落地推广的智慧高速新模式。

往常，交通监管部门进行监控追踪时，大多要通过多个摄像头的空中“接力”，“人肉”搜索、确认一个车牌号的驾驶轨迹，费时费力且容易出错。中国联通有限公司河北分公司搭建的实时数字孪生系统，对车辆、交通事件、违法行为等信息进行实时提取，通过虚拟数字空间对现实交通系统的仿真重建，可实现车辆轨迹跨镜头跟踪、车辆唯一ID连续跟踪、交通事件监测等功能，为交通调度管理提供了更及时、更全面的“全息视角”。

尽管数字孪生的探索应用逐渐向行业全生命周期渗透，但在实施层面，数字孪生需要达到“能交互、可计算、易应用”三个要求，从产业角度看，这一赛道的发展壮大还受限于算力、网速、大数据、物联网等技术及生态的成熟。

万超以建筑行业为例指出，实体建筑的虚拟世界建模，以及更底层的引擎、渲染等能力，还有建模软件等，都是数字孪生大展拳脚的舞台，目前我国在这些领域还存在短板，但有了产业需求，就有底层技术的创新和应用蓬勃发展的可能性。