深度 | 数字孪生，从魔都疫情下的镜像世界说起

它勾勒出在城市、车间里的不同应用，也包圆疫情之下的抗疫防疫、复工复产以及你的衣食住行。

文 | 刘铮编辑 | 小材正文共计：4930预计阅读时间：6分钟

“2个小区里都发现确诊案例”。2021年底，确诊消息连夜传到上海浦东花木街道，值班人员迅速将封闭小区的户主人数、小区精确地形图等信息发送至疾控中心。

很快，核酸检测的试剂数量能确定了，小区中核酸检测点、工作人员休息处等空间划分方案也生成了。接下来，小区沿街店铺负责人的电话被打通——集中隔离。

这个面积20.93平方公里的街道能快速响应防疫抗疫，靠的是一个隐形的世界——花木街道的数字孪生。

数字孪生是对现实世界的实时模拟、监测，能在数据中对现实世界进行分析和预判，在虚实之间，构建一种一一对应的关联。

在这套系统中，花木街道8924幢建筑被精准记录，近十万件包括窨井盖、电话亭、市政箱体、路灯立杆等公共设备也在虚拟城市中被精确映射。

近期魔都疫情反反复复，但数字孪生提升了疫情防控的响应速度。两年前，武汉封城时，也正是数字孪生模拟现场工序，拼装出隔离病房结构，最终创下10天建成雷神山的奇迹。

雷神山隔离病区的数字孪生 图源：华中建筑

在新冠疫情期间临床试验中，也有数字孪生体代替人类志愿者进行实验，用较低风险获得精确结果。 可以说，今天的数字孪生正逐渐包圆你的衣食住行，也维续着疫情下的秩序。立方知造局将以9个问题和你一起走近数字孪生和它带来的未来想象。
01. 什么是数字孪生？
数字孪生将现实世界中的人、物理实体或过程实时数字模拟，形成一个孪生体组成的虚拟世界。它还有个更容易理解的名字：数字镜像。在了解数字孪生之前，需要厘清楚一个相近的概念——物理仿真。物理仿真同样需要用到计算机软硬件模拟现实世界，用来计算数值、求算结果，但这个过程可以通过离线解决，不具备数字孪生的实时性，也无法给出分析、优化物理世界的决策功能。技术上：与现实世界实时仿真，数字孪生需要用到5G技术；要参与分析、优化等决策，数字孪生则需要AI、大数据、云计算的加持。
如今5G商用，AI开始普及，数字孪生有了实时仿真的前提，也有了撑起更多应用的臂力，最终从概念走到了前台。

效用上：目前数字孪生能起到快速响应、降本增效的作用。比如制造业场景中，被称作现代工业明珠的汽车工业，就用到了数字孪生。
3000多类、3-5万个零件，经过200多种加工工艺，最终制成一辆车。每个步骤的失误，都可能不断叠加一辆汽车的故障。 在一汽红旗的车间里，有一条数字孪生产线，大至流水线状况，小至拧螺丝力度，都会被记录在数字孪生体中。一旦出现汽车故障，数字孪生体可以回溯生产数据，快速分析出原因。
数字孪生落地场景除了制造业，还伸向智慧城市、智慧医疗等领域。
02. 数字孪生产业的玩家有哪几类？为什么互联网大厂也要掺一脚？
数字孪生产业可分为三层：基础层、平台层、应用层。基础层：主攻数据采集、发送、可视化技术，支撑起数字孪生核心架构；平台层：为制造、能源、医疗等领域搭建数字孪生平台；应用层：为更细分的应用场景提供服务。
互联网企业有着擅于搭建平台、打造软件应用的优势和特性，因此更多作为平台层与应用层的一体化集成商出现。

（点击可放大观看）制图：立方知造局

注：本图中的企业遴选标准为：该企业从事与此技术相关的业务；囊括该技术的所有核心企业及其他主要企业

以BATH（百度、阿里、腾讯、华为）为代表的中国互联网大厂，业务模式还延伸至基础层——他们都布局了云计算业务，并或多或少涉猎人工智能、物联感知。其中华为还在网络通信、智能终端上有所布局。这缘起于2012年住建部试点开展国家“智慧城市”工作以及2015年国务院政府报告的“互联网+”。互联网大厂通过布局云计算、大数据、AI及IOT等技术，给出了“智慧城市”解决方案，形成一定底层技术优势。
在互联网人口红利见顶，消费互联网用户饱和之后，互联网大厂继续开拓一片新的业绩增长市场，往To G、To B端迈步。
数字孪生就像一个足够大的壳，互联网企业能够将现有优势套装进去，再利用它撞开全新增量市场的大门。不过，如图所示，互联网企业在组成数字孪生产业的各个领域中，只是一小部分。数字孪生与产业互联网有着类似的特质——江湖很大，细分领域能容纳更多玩家。
数字孪生专精特新企业 信息来源：企查查 制图：立方知造局03. 数字孪生市场究竟有多大？中国的数字孪生市场有多大潜力？2021年全球数字孪生市场规模在74.7亿美元，换算人民币不到500亿元，还是一片蓝海市场。到了2025年，预计全球数字孪生市场规模将达到264.6亿美元（1684亿元人民币）。
数据来源：觅图咨询 制图：立方知造局千人千面市场潜力在不同领域也呈多变，数字孪生实际应用几乎延伸到生产、生活的每一个场景。我们选取几个侧面来看看中国的数字孪生市场潜力：
智慧城市2019年，中国新型智慧城市规模已超过9000亿元人民币，预计到2023年市场规模将超过1.3万亿。
智慧医疗2020年，中国智慧医疗行业已突破千亿元大关，2021全年规模超过1200亿元，预计在2022年将达1500亿元以上。
智慧出行2020年，中国智慧出行市场规模为3547亿元，2025年预计将翻一番，达到7000亿元。
图源：《数字孪生应用白皮书》
04. 为什么美国、德国的数字孪生应用主要在工业领域，而中国更火热的赛道是数字孪生城市？
数字孪生最终目的，是让人们通过调控虚拟世界来指挥现实世界。然而在不同领域，需要的基础技术又是“千人千面”。目前，美国、德国数字孪生的应用主要在国防、军工上，中国数字孪生在智慧城市的普及率处于全球领先水平。
先来看看工业数字孪生，架构的最底部是“连接层”：采集感知、反馈控制，也就是IOT和工业软件——“卡脖子”又出现了。 先来看看先发者们如何建立工业数字孪生优势的： 美国：先进装备经验依托航空航天的基础，空客、洛克希德马丁、Space X等积累了丰富的应用数据和模型，用以持续优化数字孪生精度。政产研结合上，微软、ANSYS、戴尔等企业又为数字孪生提供基础建模工具。 德国：工业软件优势西门子用十年时间、100多亿美元收购了几乎全类工业软件，并且集成到自家的Mindsphere工业互联网平台。有了这个基础，西门子的工业数字孪生能实现虚实映射，还能凭借工业自动化完成闭环控制。 目前中国在先进装备、工业软件两个领域仍处于突围阶段。中国在5G、大数据、AI和云计算等技术上相对成熟，对应工业上数字孪生的角色是虚拟仿真、监测分析。这两个功能更契合数字孪生城市的应用场景。 应用端：作为智慧城市的基础建设，电子政务、智慧出行、智慧医疗等服务都集成在城市数字孪生体中，然后以人工智能作为服务工具，实现“降本增效”，摆脱了“效率提升需要更多人，人一多效率又会变低”的恶性循环。 技术端：需要城市信息模型、实景三维城市、物模型、城市仿真等技术，看起来数量更多，但可以多线发展，且最终都能实现数字孪生城市。而互联网企业早在2015年就相继发布“智慧城市”解决方案，随着政策逐渐细化，与数字孪生的重合度也更高。 数字孪生显然不是一场苍白炫技，中国的数字孪生城市是由政府主导，为解决迫在眉睫的“大城市病”，而进行声势浩大的新基建工程。 在B端，数字孪生及其支线产业互联网，正在帮助传统行业面向数字化提高生产力；在C端，智慧城市、智慧医疗、智慧出行，将便利人们的生活、关注个体的健康和舒适等方面。
目前我们在制造领域的卡脖子情况只是暂时的，数字孪生生产模式下的工业软件开发，让中国走在一条换道超车的道路上
05. 为什么说数字孪生能让中国工业软件实现换道超车？
工业软件是中国成为制造业强国的软肋，很多关键环节国产工业软件占比不足5%，自主版权的软件和平台系统依然缺位。工业软件需要技术积累，后发者中国的国产突围道阻且长。 数字孪生是制造业转型的必经之路，也带出工业软件对智能化生产的新需求——与AI、VR/AR等技术的捆绑。

与数字孪生耦合的技术 制图：立方知造局

理想状态下，未来工厂生产一款产品要先在数字孪生上模拟，通过不断调整参数、改变原料配比、改进生产方式及设计，最终在现实世界车间量产。
 在这样的前提下，生产制造从工业3.0的数字化走到了智能制造的工业4.0，对应的工业软件除了仍需依靠物理世界中的工业知识、工业机理、工业模型、工业数据等积累外，还需要和虚拟世界中的新技术嵌套。后者要用到的5G、AI、大数据、云计算，中国处于领先的地位。这给出国产工业软件突围的一条新思路——从长板出发，补足“工业课”短板。中国是全世界唯一拥有全部工业门类的国家，还有着丰富的制造业应用场景和市场。在新型工业软件的研发中，中国与其他国家站在更近的起跑线上，在虚拟世界积累的经验和knowhow，给了工业软件突围换道超车的曙光。 06. 数字孪生和产业互联网有什么关系？
先说结论：产业互联网是数字孪生的摇篮，数字孪生是产业互联网的支柱。 产业互联网下的工业互联网，可以说是数字孪生的“股东”。产业互联网指南针模型 图源：觅途咨询 数字孪生的实现，依赖于各种工业软件，尤其是仿真软件；在数据的收集上，也通过细分领域的工业APP进行，并在其中存储、沉淀——这里的工业APP，就是数字孪生的应用层。 工业互联网这个平台，能让数字孪生体持续在线，与真实的工业场景建立交互，得到应用；同时用大量模型、数据喂饱了数字孪生技术，帮助其迭代升级，以及更广阔的应用场景。简单地说，工业互联网赋予数字孪生更长的价值链。 而数字孪生的优势在于实时且高度写实的数据和分析，通过大数据和云计算，将工业互联网里碎片化的信息传输到工业APP上，为工业互联网的高效运作提供保障。 目前数字孪生应用落地的难点，主要在先找到“组织”——各行业里的产业互联网，快速得到大量数据，进而向更细分的领域拓展业务。
07. 为什么说现在的数字孪生概念还不是完全体？
先来看一个乐观的观点： 数字孪生是继搜索和社交媒体之后的互联网“第三波浪潮”，是未来实体产业的基石。 然而数字孪生目前仍有缺憾，应用领域看似五花八门，实际应用方式只有两种：虚拟仿真和监测分析。 虚拟仿真：物理本体向孪生体输出精确全面的数据，减少误差；监测分析：孪生体将精准的信息反馈给物理本体，做出正确干预。 “浪潮”被孕育出来，仍要继续向前。AI是接下来推动数字孪生的关键力量，需要经过决策孪生、智能孪生两个阶段。 决策孪生：AI通过不断地学习、模拟，能够为决策者提供有价值的参考和建议。 智能孪生：AI具有精准判断和自主控制能力，也可以为人提供解决问题的新视角，实现“大数据思维”——这也是现在各种智慧工程期望完成的终极目标，而真正的“降本增效”要从这里开始。
08. 未来数字孪生将怎样包圆你的生活“产业链”？
数字时代，人将上升到管理者的角色，但不可否认的是，我们同时也将成为基数最庞大的移动智能终端。 这和日本NTT公司的观点不谋而合：从1985年互联网逐渐普及开始，数字化的重点以10年为单位，反复在“人”和“事物”之间交替，当螺旋的进化到达临界点后，质变终于引发了量变——“人”的数字化成为塑造未来世界的关键。 人类和事物的数字化发展 图源：NTT官网 人类数字孪生的第一层，通过将身体和生理特征的数字化，实时监测人体数据，形成数字孪生体，来提升医疗诊断和治疗准确率，实现智慧医疗。 第二层是再现个体的内在特质，比如个性、情感、思想和技能。这是人体模型与AI结合后的畅想，我们从工作、消费、居家三个维度展开。 工作：如果数字孪生技术足够成熟，拥有与真人一致的思维与个性，相当于真人创造一个助理来工作。未来很有可能会出现一个人同时打几份工的情况——数字孪生体内卷时代要来了。 消费：如今的数字孪生+AR/VR/MR的交互式门店体验只是噱头，未来消费者需求还可以通过数字孪生决策迅速反馈到经营端，辅助进行需求预测、品类规划以及决策，而后顺势传达给供应链。 居家：当前，各大互联网企业打造的智能家居生态，大多是以手机作为纽带，用户自主设定操控——智能化程度最多做到人走灯熄、电器断电，以及智能音箱发出一声“我在！”。未来的数字孪生+AI，能够实时分析人类数字孪生体，根据你实时的心情和想法，调节相应的灯光和室温。数字化并不会到此结束，数字孪生也被解读成元宇宙的根基，是进入元宇宙的大门。
元宇宙的终极目标是虚实相生，意思是在现实生活里的工作、生活和娱乐都能转移到虚拟世界进行，而现实和虚拟又在相互影响——你一辈子都能耗在元宇宙里面，可以不用出来了。 以上所描述的种种情境，有些我们已经不知不觉身处其中，有些还好像遥不可及的科幻故事——两极分化的现状，体现出数字孪生“炒冷饭”的本质：它只是多种技术的集大成，而非集大成的一种技术。
9. 中国对数字孪生有哪些政策支持？
首先要提到的，是2020年发改委和网信办联合发布的“552号文件”。 这份文件里，中国首次将数字孪生提升为七大新一代数字技术之一，并提出“数字孪生创新计划”。其他六种技术分别是：大数据、人工智能、云计算、5G、物联网和区块链。而中国把数字孪生作为一个独立产业概念的做法，早于英、美、德、日。 由于城市是现代经济的主要载体，而数字孪生又是智慧城市的载体，因此中国的宏观政策，主要集中于数字孪生城市上。“十四五规划和2035远景目标”中，明确提出“探索建设数字孪生城市”。
中国数字孪生城市政策 信息来源：网络 制图：立方知造局

尾声
爆炸声在地球上空30多万公里处响起——氧气罐被炸毁，供电系统受损，航天飞船室温骤降至3摄氏度。阿波罗13号正以每分钟600多公里的速度远离地球。如果无法快速排除故障，它就完了。 宇航员唯一能做的，就是等待NASA地面控制中心给出的自救方案。 飞船的参数数据被输入到NASA的15个模拟器中，计算机飞速运算，最终一套回程方案被筛选出来。 1970年4月17日，爆炸4天后，航天器借助月球的引力返航地球，安全着陆南太平洋。在这起美国登月史上的最成功的失败中，计算机仿真模拟物理状况，成为“数字孪生”最早的应用案例之一。 50年后的2020年12月，嫦娥5号升空，完成了中国航天领域中最复杂的操作——钻取月壤样品并封装。数字孪生再度上场，除了对航天器实时监测，形成毫米级精度的月球数字孪生图像之外，还能下达探测器动作指令。 五十年间，虚实世界的交互螺旋上升——从仿制现实到实时仿真，带来虚拟世界对物理世界的降本增效。 数字孪生背后的技术在进化——AI、5G、AR、VR、大数据勾勒出数字孪生在车间、城市中的不同应用，也包圆疫情之下的抗疫防疫、复工复产以及你的衣食住行。 在那个由01组成的镜面世界中，一切都将超越此刻的想象维度。参考资料：

数字孪生：虚拟与现实之间的星火 互联网江湖

工业数字孪生白皮书2021 工业互联网产业联盟

数字孪生城市白皮书 中国信通院

数字孪生应用白皮书 中国电子技术标准化研究院

数字孪生行业报告 2022年数字孪生行业发展前景分析 中研网

人类数字孪生：创造超越现实世界限制的新价值 NTT 

工业互联网平台数字仿真发展白皮书 迪赛研究院

发展工业软件，建设制造强国 倪光南

中国工业软件产业发展路径研究 技术经济与管理研究

数字孪生医院——雷神山医院BIM技术应用与思考 华中建筑

相关阅读

声明

来源：立方知造局，先进制造业公众号推荐阅读，版权归原作者所有，转载请注明。但因转载众多，无法确认真正原始作者，故仅标明转载来源。本文所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容！本文编辑：微明

商务合作：13386409839（同微信）

投稿邮箱：[e-mail]

微信号：amdaily

长按识别二维码即可关注

好文！必须点赞