數字孿生邁向“技術+應用”雙驅動時代

大規模、多尺度的數字孿生可視化與倣真分析將成為未來城市、工業、交通等多行業的共性需求，但由於物理世界的連續性和複雜性，全息精細的刻畫和模擬倣真仍存在難點，融合了機器學習、多尺度建模以及分佈式高性能計算的技術將是解決此類問題的關鍵。

儘管大規模應用仍處於起步階段，但以“模擬倣真”為起點的數字孿生技術（Digital Twin）價值越發明顯，已成為政産學研用等各界的重點關注領域。

近日，深圳市騰訊電腦系統有限公司（以下簡稱騰訊）發佈《騰訊數字孿生雲白皮書》（以下簡稱《白皮書》），並宣佈在業內首推數字孿生雲服務，再次引發了各界對數字孿生技術及應用場景的關注。

數字孿生近年來受到各界熱捧

數字孿生也被稱為數字雙胞胎，其定義比較複雜，簡單地説，就是把現實世界映射到虛擬世界，通過感知、計算等實現虛實融合、認知預判。也就是説，數字孿生是在虛擬環境中構建現實場景，模擬生活生産中的運營邏輯。

而按照《白皮書》給出的定義，數字孿生是對物理實體的數字化表達，以歷史數據、實時數據為基礎，融合幾何、機理、數據驅動等多種數字模型，實現對物理對象的映射呈現、分析優化、診斷預測以及閉環控制。

那麼，數字孿生從何而來？

通常認為，數字孿生的概念起源於美國國家航空航太局（NASA）的“阿波羅計劃”。該計劃構建了兩個相同的航太飛行器，其中一個發射到太空執行任務，另一個在地球上用於反映航太器任務期間的工作狀態，輔助工程師分析處理太空中出現的緊急事件。

2003年，美國密歇根大學教授完善了數字孿生技術體系，使其逐漸應用於工業領域全流程管理。近年來，隨著智慧化、網聯化、數字化的發展，數字孿生加速落地，成為産業數字化的核心技術之一。

數字孿生概念的誕生雖然只有10多年，但經過持續迭代和實踐探索，近年來相關研究論文數量呈井噴式增長，各行各業從“廣而論道”轉向産業實踐，使其成為炙手可熱的現象級技術，而隨著元宇宙的火爆，數字孿生更加受到熱捧。

但中國科學院院士、中國工程院院士、武漢大學教授李德仁提出，不應將元宇宙和數字孿生混為一談，前者並不是後者的高級形態。

李德仁指出，數字孿生概念清晰，是現實世界在網路空間中的真實反饋，無論是數字孿生工廠、數字孿生城市，甚至是數字孿生地球，本意都是通過網路空間的模擬、倣真等還原真實世界並影響現實生活，不會存在類似“神話”“遊戲”等憑空想像的因素。與數字孿生相比，現在火爆的元宇宙概念其實並不太清晰。

三大技術支撐數字孿生走向産業縱深

《白皮書》指出，數字孿生技術體系涉及數字支撐、孿生構建、人機交互三大類技術，隨著這些技術的不斷創新升級，數字孿生的實時性、精準性、靈活性和交互性得以進一步提升。

其中，幾何建模及展示技術路徑呈現出多樣化趨勢，推動了數字孿生向建模高效、實時展示、部署靈活的方向發展；物聯網、數字線程、大數據為數字孿生提供了數據支撐能力，人工智慧也促進了數字孿生的預測能力；倣真建模開始走向整合化和實時化，助力數字孿生構建精確模型；數字支撐技術持續迭代，夯實了數字孿生的基礎能力；擴展現實技術（XR）的沉浸式交互能力，拓展了數字孿生的應用空間。

作為一項複合性技術，數字孿生以實時、精細、逼真、可計算的方式，將現實世界映射于數字世界。那麼，數字孿生發展過程中還面臨哪些挑戰？

根據《白皮書》的歸納，在標準體系建設方面，數字孿生的應用包含了不同結構、不同來源、不同對象的數據以及多尺度、多物理場、多學科的模型，因此數據層面和模型層面的標準亟須統一，另外産品互通等標準的缺失也限制了數字孿生産品間的協同配合，所以産品層面的標準也需進一步完善；在開源生態構建方面，數字孿生作為當下再次興起的交叉技術，需要進行多角度佈局，比如需要里程碑式的開源項目將其技術推向大規模工程化應用，需要長期資金支援，需要産業參與者提高開源及貢獻意識，需要豐富的開源生態將活力注入其發展進程中等。

《白皮書》強調，大規模、多尺度的數字孿生可視化與倣真分析將成為未來城市、工業、交通等多領域的共性需求，但由於物理世界的連續性和複雜性，全息精細的刻畫和模擬倣真仍存在難點，融合了機器學習、多尺度建模以及分佈式高性能計算的技術將是解決此類問題的關鍵。

“萬物孿生”改寫社會面貌

《白皮書》開宗明義，數字孿生已成為科技戰略和産業轉型的關鍵抓手。為搶抓數字孿生發展機遇，世界各國從數字孿生技術、應用、投資、生態等維度進行了積極佈局。

目前我國多地已將數字孿生作為需要突破的關鍵核心技術列入科技創新規劃中。

在相關政策的推動下，我國已逐步形成了“技術+應用”的雙輪驅動體系，為産業發展營造了良好空間，數字孿生技術開始向諸多行業滲透。《白皮書》總結了數字孿生技術應用的“製造、能源、城市、建築、交通、水利”六大行業和“設計/倣真、生産/作業、服務/運營、安全/管理”四大場景，而騰訊基於數字孿生雲提供的雲化工具鏈和開發服務，已開始助力交通、能源、建築等行業進行數字孿生應用開發和迭代。

騰訊雲副總裁、騰訊數字孿生業務負責人萬超説：“數字孿生作為複雜技術的代表，已經進入一個産業爆發期。騰訊打造的數字孿生相當於為産業提供了一套數字化的底座，更加開放、更加標準化、更具有普適性，創新應用可以在這個平臺上培養和生長。”

近日，中國聯通有限公司河北分公司等單位聯合搭建的“5G+智慧高速榮烏新線示範應用建設項目”獲第五屆“綻放杯”5G應用徵集大賽總決賽二等獎，不僅進一步證實了5G、“北斗”、人工智慧、數字孿生等新一代資訊技術應用在交通領域的可能性，而且構建出了一套完整的、可落地推廣的智慧高速新模式。

往常，交通監管部門進行監控追蹤時，大多要通過多個攝像頭的空中“接力”，“人肉”搜索、確認一個車牌號的駕駛軌跡，費時費力且容易出錯。中國聯通有限公司河北分公司搭建的實時數字孿生系統，對車輛、交通事件、違法行為等資訊進行實時提取，通過虛擬數字空間對現實交通系統的倣真重建，可實現車輛軌跡跨鏡頭跟蹤、車輛唯一ID連續跟蹤、交通事件監測等功能，為交通調度管理提供了更及時、更全面的“全息視角”。

儘管數字孿生的探索應用逐漸向行業全生命週期滲透，但在實施層面，數字孿生需要達到“能交互、可計算、易應用”三個要求，從産業角度看，這一賽道的發展壯大還受限于算力、網速、大數據、物聯網等技術及生態的成熟。

萬超以建築行業為例指出，實體建築的虛擬世界建模，以及更底層的引擎、渲染等能力，還有建模軟體等，都是數字孿生大展拳腳的舞臺，目前我國在這些領域還存在短板，但有了産業需求，就有底層技術的創新和應用蓬勃發展的可能性。