元宇宙系列 | 一文读懂数字孪生

本期作者：何京 李凌峰

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上世纪六七十年代，美国的载人登月计划正在如火如荼地进行中。1970年4月11日，搭载了3名宇航员的阿波罗13号飞船顺利点火升空，这是NASA“阿波罗”载人登月计划的第三弹。有了前两次的成功登月经验，NASA对此次的登月计划也充满了信心。

然而，就在阿波罗13号飞船飞行了大约56个小时后，距离月球只剩6万公里时，飞船外突然传来了一声沉闷的巨响，伴随着金属扭曲的刺耳声响，舱内警报四起，供水、氧气、温度全部出现异常，原来是飞船一侧的氧气罐接连发生了爆炸。地面指挥中心的工作人员接收到事故信息后，决定立即终止登月计划，让宇航员乘坐登月舱返回地球。经过地面科学家和宇航员的不懈努力，在氧气不足、供电紧缺、飞船失去动力、二氧化碳浓度过高的极端情况下，成功借助月球引力将登月舱甩回了绕地轨道，最终平安降落在了太平洋上。

这一堪称人类历史上最伟大的太空救援行动，不仅挽救了三位宇航员的生命，也诞生了数字孪生的技术源头。

一、什么是数字孪生

数字孪生，翻译自英文名“Digital Twin”，可以理解为现实物理世界的数字化映射。即指针对物理世界中的物体，通过数字化的手段在虚拟数字世界中构建一个一模一样的实体，借此来实现对物理实体的了解、分析和优化，以便在虚拟数字化模型中更高效、更低成本地解决现实应用问题。

在“阿波罗”登月计划中，为了模拟飞船在太空中的工作状态，NASA在地面搭建了一个与阿波罗13号飞船完全相同的“孪生”飞船，通过操控“孪生”飞船来获取不同情况下的飞船参数，从而帮助地面指挥中心的工程师分析和处理飞船遇到的突发事件。在氧气罐爆炸后，遍布飞船的传感器将飞船各处的运行参数传回地面，工程师用事先搭建的模型计算出参数所匹配的飞船损害后果，并启动相应的紧急预案，而紧急预案所对应的操作方法也是宇航员们事先在“孪生”飞船上反复训练过的，这便是数字孪生的技术源头。

2002年，密歇根大学的Michael Grieves博士首次提出了“Digital Twin”的概念；2010年，“Digital Twin”一词正式出现在NASA的技术报告中，报告中将其定义为“集成了多物理量、多尺度、多概率的系统或飞行器仿真过程”；2012年，NASA与美国空军联合发表了关于数字孪生的论文，指出数字孪生是驱动未来飞行器发展的关键技术之一；随后数字孪生开始进入商业化应用阶段，西门子等国际制造产业巨头纷纷推出基于该技术的数字化解决方案；《中国制造2025》中也明确提出：“智能制造是新一轮科技革命的核心，也是制造业数字化、网络化、智能化的主攻方向”，而数字孪生正是智能制造的核心技术之一。如今，伴随着人工智能、云计算、大数据等前沿科技的进步，数字孪生迎来了快速发展的新机遇。

二、数字孪生的应用场景

除了上文提到的航空航天领域，数字孪生技术在众多领域均有广泛的应用场景。

1. 电网系统

电网系统是最早将数字孪生技术运用到实际操作的领域之一。数字孪生电网，指的是在数字虚拟空间中创造一个与物理实体电网所对应的数字电网，通过对物理电网的全方位数据搜集以及分析，运用模型平台进行科学决策，并准确地执行相应的命令，从而实现对物理电网系统运行状态的实时捕捉，潜在风险实时监测和预测，实时完善及更新。通过构建数字孪生电网的方法，可以提高电网的物质资源、智力资源、信息资源的配置效率和运作状态，使电力系统以最佳方式运行，并将风险控制于未然，提高其稳定性、安全性等性能。

（图片来源于图扑官网）

2. 智能制造

数字孪生在智能制造业的应用前景广阔，覆盖了产品的研发、工艺规划、制造、测试、运维等各个生命周期。

例如，在产品的设计阶段，产品的数字虚拟模型可以对之后的制造和运行过程进行模拟和采集，利用模拟数据可以及时发现和改进产品方案的设计缺陷。在产品的制造阶段，数字模型可以捕捉生产线的实时数据，计算出有效的运行方案，有助于提高生产效率，降低故障发生率。在产品的维护阶段，数字模型可以通过对运行数据的分析，计算出合适的维护节点，提高产品的安全性能。

（图片来源于图扑官网）

3. 智慧城市建设

在城市建设方面，利用数字孪生技术，可以在数字虚拟空间建造一座与物理世界相对应的孪生城市，物理城市中各种各样的传感器、摄像头记录的数据将会被采集到终端并保存。通过分析这些数据，可以全方位展示城市各领域综合运行态势，有效地协助城市规划、城市管理以及实物资产的运营和维护。

例如，在城市交通方面，根据对路况实时数据的分析和计算形成可视化道路，可以预测拥堵路口，提前采取分流措施，缓解城市交通压力。

在文旅服务领域，通过对景区客流量、行动轨迹、道路情况等数据的监测分析，可以在数字城市上计算出更高效的游览路线，为景区管理提供更高效的解决方案。

（图片来源于图扑官网）

我国已有将数字孪生运用于城市交通的实际应用案例。国内首个基于纯视觉的全天候高速公路数字孪生应用——杭州湾跨海大桥，是国内首座“数字孪生跨海大桥”。在大桥的指挥中心，能够看到硕大的屏幕上，一座“数字孪生大桥”呈现在“云端”。这座数字大桥上汇聚了杭州湾跨海大桥上的实时流量、事件图文、北斗导航、通阻状况、事故处置进展等关键要素，实现全信息要素‘一张图’和实时车流轨迹展示。这些数据都来源于大桥桥面上每间距125米设置的数字高清摄像机的捕捉，基于摄像机捕捉到的实时数据，结合人工智能算法的分析，杭州湾跨海大桥完成了全桥18类事件108种管控策略的编制部署，真正实现了交通数字化。

4. 智慧医疗

数字孪生正在逐步进入医疗健康领域。众所周知，药物的研发上市、医疗诊断方法的推广等都需要经过漫长而又严格的前期实验，且需要投入巨额的研发成本，利用数字孪生技术，可以搭建起医院和患者的虚拟数字模型，通过对患者病历数据、人体结构、医院环境、医疗器械参数等数据的分析和计算，短时间内对模型进行多次训练，提升临床试验或医疗测试的效率和准确性。

三、数字孪生与元宇宙

元宇宙立足于虚拟世界与现实世界的交叉，那数字孪生技术与元宇宙之间有什么样的联系呢？

数字孪生是对现实物理世界的数字化映射，更加强调准确度和真实性，力求打造一个与现实世界完全相同的数字孪生体。无论是工业制造，还是城市管理，都是运用人工智能对物理世界的客观数据进行挖掘和深度学习，并进一步模拟情境和决策，以改进现实或更好地适应现实。

而元宇宙作为一个更超现实、更富有想象力的虚拟世界，不仅需要构造一个与现实世界高度相似的数字世界，还需要融合虚拟现实、人机交互等功能，在虚拟世界的基础上打造一个比现实世界更为梦幻、更为多样化的沉浸式数字世界。数字世界中的每位居民都拥有独立的数字身份和数字感知体，可以同其他居民互动、社交并共同参与虚拟社会的发展建设。正如元宇宙游戏ROBLOX的招股书中的描述，元宇宙至少要具备8个关键要素：身份、朋友、沉浸感、随时随地、多样性、低延迟、经济和文明。由此可见，可以说，元宇宙作为一种超越数字孪生的技术模型，更为聚焦“人”和“社会系统”。

（图片来源于电影《失控玩家》）

由此可见，数字孪生是元宇宙的核心技术之一，也是构建元宇宙的基石。受到现阶段技术水平的限制，数字孪生还存在着建模精确度不足、领域数据采集能力有限、算力低下等问题。但随着5G、人工智能、信息网络传输等技术的进一步发展，数字孪生技术会日益成熟，在给越来越多的行业带来技术革新的同时，也会让元宇宙更加接近“Fantasy”。

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