5月26日，参会者在2021 中国国际大数据产业博览会上了解智慧城市治理中心

    所谓“数字孪生”，就是由物理实体、虚拟实体、孪生数据、服务和交互连接五部分组成的一个系统或综合体。

陶飞 张辰源

　　提到“孪生”一词，人们都会不约而同地想到一对外貌相像的双胞胎。但面对“数字孪生”这个概念，大家可能会感觉很陌生。其实，如果看过《钢铁侠》这部电影，便能很好地理解数字孪生的概念。

《钢铁侠》里的“数字孪生”功臣

　　《钢铁侠》的主人公托尼·斯塔克利用先进技术为自己量身打造了一个钢铁战甲，身穿战甲的托尼惩奸除恶，战无不胜。不过，除了搭载微型核电站和各种先进武器的酷炫战甲，智能系统贾维斯同样功不可没。贾维斯内置了钢铁战甲的数字化虚拟模型，能实时追踪钢铁战甲的状态，并通过头盔上的显示屏将战甲状态进行可视化呈现，以便托尼能够及时掌握钢铁战甲的损坏情况，并进行相应的作战决策。同时，贾维斯还能根据战甲的状态和战局的情况提供目标瞄准、信息追踪、能源预警等战斗辅助功能。可以说，托尼的每次胜利都离不开贾维斯的鼎力相助。

　　在《钢铁侠》中，钢铁战甲和贾维斯具备了一个数字孪生系统的五大核心要素。托尼的钢铁战甲是客观存在的一种物理实体，具备实际战斗执行功能。贾维斯内置的战甲模型则是物理实体对应的虚拟实体，通常称之为数字孪生模型或数字孪生体。钢铁战甲的损坏程度、飞行速度、能源剩余量等数据，以及贾维斯对导弹的弹道预测、对机甲的性能评估、从托尼处接收到的指令等数据，统称为孪生数据。贾维斯通过对孪生数据进行分析、处理和挖掘，提供战斗建议、飞行轨迹规划、能源预警等战斗辅助服务，这些服务功能以决策数据、图表、分析曲线等形式呈现，学术界称之为服务或应用。贾维斯和钢铁战甲之间的实时通信和双向交互连接，使贾维斯能够实时掌握战甲的运行状态，并能够实时操控战甲的飞行系统和武器系统。

　　所谓“数字孪生”，就是由物理实体、虚拟实体、孪生数据、服务和交互连接五部分组成的一个系统或综合体。数字孪生技术基于模型和数据双驱动及虚实闭环交互，可在单元级、系统级和复杂系统级对象的多个层次开展应用，可用于监控物理实体的变化、模拟物理实体的行为、评估物理实体的状态、预测物理实体的未来趋势、提高物理实体的性能、优化物理实体的运行，并对物理实体进行同步控制。

数字经济领域天地宽

　　数字经济作为一种以数据为核心要素的新型经济形态，正成为推动经济高质、高效、可持续发展的重要驱动力。在新冠肺炎疫情期间，数字经济展现出强大的活力和发展韧性。

　　在中国疫情最严重的时期，因疫情防控需要，人员流动受限，传统零售业受到了明显冲击。根据国家统计局发布的数据，2020年1～2月份，社会消费品零售总额同比名义下降20.5%（扣除价格因素实际下降23.7%），其中，商品零售下降17.6%。商品零售的主要运营模式是线下交易，容易受到疫情、天气等多方面不确定因素的影响。

　　如果建立线下零售商品的数字孪生模型，放在网店中进行展示和销售，顾客不仅可以通过商品的数字孪生模型直观地了解商品的组成结构和核心参数，还能足不出户在虚拟体验平台上试用商品，了解商品的使用和保养方法，最后利用线上支付完成交易，并收到快递到家的商品。这种基于数字孪生的线上零售模式不仅方便了顾客，还有效结合了线下零售、物流快递、线上支付等多种产业优势，更有效避免了不确定因素的负面影响。与此同时，商家还能收集到大量顾客的偏好数据和商品的售后数据，进行统计和分析，为商品后续的改良升级提供参考。

　　在零售业的例子中，数字孪生利用商品的数字孪生体将传统的线下销售转移到线上，在获取大量用户数据和商品数据的基础上，充分挖掘出数据潜在的价值，形成商品信息可视化、顾客需求分析、商品缺陷分析等一系列服务，最终反馈到商品的优化过程中，形成闭环迭代优化的运行模式，促进数字经济与实体经济的融合。

赋能行业数字化转型

　　随着科技的快速发展，人民生活水平不断提高，商业模式不断变革，行业竞争不断加剧，用户需求越来越苛刻和个性化，传统行业迫切需要借助数字化转型来寻找新的增长机会与发展模式。

　　如果建立一个数字孪生工厂，并利用工业数据总线将实际工厂与其数字孪生模型进行连接，工厂的管理者便可以在全世界任何一个地方，通过电脑里的工厂数字孪生模型掌握实体工厂当前的加工任务、加工设备的运转状态、产品的合格率等信息，巡检工人可以头戴虚拟现实头盔，在远离危险的办公室里身临其境地排查设备故障，甚至还能通过“透视”服务窥探上千摄氏度高温的加热炉内部是否存在结焦现象。

　　此外，过去令人头疼的排产任务现在也可以放心交给自动排产服务。自动排产服务可以基于制造大数据，生成最优的排产方案，并直接对实际设备进行调度和控制，这不仅能大幅减少人类的脑力和体力劳动强度，还能显著提高生产安全性和效率。

　　数字孪生不仅能在工厂中应用，还能在核电站中应用。为保障核电站的运行安全，相关设备设施需要定期进行人工检修。一旦发生意外事故，泄漏的核辐射将严重危害检修人员的生命安全。而数字孪生核电站能大大减少这种悲剧发生的可能性。

　　首先，技术人员可以通过核电站中相关设备设施的数字孪生体，远程了解其性能退化的具体情况，从而及时替换相关设备零部件；其次，考虑到肉眼无法识别一些异变的细节，故障预测服务还能基于设备运行数据进行故障预测，从而在故障发生之前及时对相关设备进行维护和保养；最后，在进行人工维修之前，技术人员可以在核电站的数字孪生模型上进行多次演练，做到心中有数，从而大幅降低人工误操作的可能性。

　　人造卫星是目前发射数量最多、用途最广的航天器，人类的科学研究、天气预测、资源勘探、导航通信等都离不开它。航天器功能多样、结构复杂，且长时间运行在环境恶劣的太空中。及时预测卫星可能发生的故障，并在故障发生前消除它，对于保障卫星的运行安全具有重要意义。然而，地面的操作人员与在轨卫星相距甚远，很难掌握在轨卫星的运行状态。

　　对此，科学家们提出，可以利用信息技术在虚拟世界中“克隆”一个与实际卫星外观相同、功能相似、行为一致的数字化虚拟卫星，并利用传感技术和通信技术在实际卫星与虚拟卫星之间直接建立一条能够互相传输数据的通道。当实际的卫星升空入轨后，留在地面计算机中的虚拟卫星便能够接收到在轨卫星感知到的环境数据和运行数据，进而在实时数据的驱动下呈现出与在轨卫星一致的运行状态、运行过程和运行结果。操作人员仅需在电脑上监测虚拟卫星，便可以全面、直观地掌握在轨卫星的状态，并利用预测算法，实现对在轨卫星的故障预测，并在虚拟卫星上进行故障消除实验，将成功的实验方案通过数据交互通道发送给在轨卫星，最终实现在轨卫星的故障消除。

　　此外，油气、农业、建筑建设等领域也都陆续开展了数字孪生的应用探索，以期借助数字孪生的力量实现自身的数字化转型。

为日常生活插上科技翅膀

　　人们常常幻想，我们生活的城市不再因突降暴雨而一片汪洋，交通不再拥堵，交通事故不再频发，甚至能够预知自己还没有演化成疾病的健康问题……也许，这些并不是人类的妄想，曾经的不可能已渐渐变为现实。

　　数字孪生城市排水管网能够基于排水管网数字孪生模型和排水系统运行数据，提供排水系统运维管理、管网线路更新以及突发事件预案推演等服务。在暴雨来临之前，相关人员可以基于排水管网的数字孪生模型进行紧急排水任务演练，为即将到来的暴雨做好充足的准备。在突降暴雨时，数字孪生城市排水管网能够实时获取各个排水管道中的水位线、水流量等数据，并以此为依据，对城市排水系统进行合理调度，尽量均衡全市各个区域的排水压力。在暴雨过后，相关部门可根据排水系统历史数据，回顾排水系统在暴雨期间的作业过程细节，进而针对其不足进行调整和完善。

　　交通拥堵和交通事故都是人们在出行时不希望发生的事。如果为每辆汽车构建数字孪生模型，让汽车掌握自身的状态和位置信息，基于大量行驶数据和检修数据，汽车可以预测自己在何时何处可能发生故障，并通过提前保养来避免半路抛锚等问题。此外，如果为汽车增加感知道路和行人的传感器，并为每辆汽车安装通信模块从而实现车辆之间的信息互联，数字孪生汽车甚至能提供自动驾驶服务，进而可以基于多车同步启停服务避免拥堵，基于避让行人和避让车辆服务避免交通事故。

　　生老病死是每个人都会有的经历，但如果人们能预知疾病的发生，提前预防，这将大幅提高人类的生存质量。目前，科学家们已计划开展构建人体数字孪生模型的研究，以期准确复现人体的一系列生理机能，为探索疾病演化规律和预测疾病提供基础。

　　同时，人体数字孪生模型还能支持药物实验和手术实验，帮助医学工作者更加高效地寻找解决各种疑难杂症的方法，进而提高临床诊断和预后能力。也许在不远的将来，人们还可以给所有的新生婴儿建立独一无二的数字孪生体。随着婴儿的成长，相应的数字孪生体也同步成长，并伴随人们一生。这些数字孪生体，可以准确预测每个人可能发生的疾病，并提供量身定制的预防和治疗方案，造福全人类。

　　（陶飞系北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院教授、教育部长江学者特聘教授；张辰源系北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院博士生）

来源：2021年6月16日出版的《环球》杂志 第12期

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