數(shù)字孿生概念

　　數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬實(shí)體，借助歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及算法模型等，用于模擬、驗(yàn)證、預(yù)測、控制物理實(shí)體全生命周期過程的技術(shù)方法。數(shù)字孿生技術(shù)打通了物理世界與虛擬空間的通道，聯(lián)結(jié)現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界，在虛擬空間打造“全真世界”。

數(shù)字孿生的應(yīng)用領(lǐng)域

　　數(shù)字孿生的設(shè)想首次出現(xiàn)在2002年前后。近年來，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，使數(shù)字孿生得到更加廣泛的傳播和應(yīng)用。目前，數(shù)字孿生的應(yīng)用已經(jīng)延伸到更廣闊的領(lǐng)域，在國內(nèi)主要包括智慧城市、智慧交通、智慧能源、智慧建筑、智慧健康以及智能制造等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。

　　數(shù)字孿生技術(shù)之所以在這些領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，主要因?yàn)閿?shù)字孿生具有幾大突出特點(diǎn)：實(shí)時(shí)性、互操作性、保真性、閉環(huán)性以及可拓展性。

2.數(shù)字孿生在智慧城市中的應(yīng)用

　　數(shù)字孿生應(yīng)用將大大推動新型智慧城市的建設(shè)。在信息空間上構(gòu)建的城市虛擬映像疊加在城市物理空間上，將極大地改變城市面貌，重塑城市基礎(chǔ)設(shè)施，形成虛實(shí)結(jié)合、孿生互動的城市發(fā)展新形態(tài)。

　　在智慧城市中，數(shù)字孿生城市通過對物理世界的人、物、事件等所有要素?cái)?shù)字化，在網(wǎng)絡(luò)空間再造一個(gè)與之對應(yīng)的“虛擬世界”，形成物理維度上的實(shí)體世界和信息維度上的數(shù)字世界同生共存、虛實(shí)交融的格局，這突出了數(shù)字孿生的實(shí)時(shí)性以及保真性，將物理世界的動態(tài)，通過傳感器精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)地反饋到數(shù)字世界。數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)由實(shí)入虛，網(wǎng)絡(luò)化、智能化實(shí)現(xiàn)由虛入實(shí)，通過虛實(shí)互動、持續(xù)迭代實(shí)現(xiàn)物理世界的最佳有序運(yùn)行，這突出了數(shù)字孿生的互操作性、可拓展性以及閉環(huán)性。

　　3.數(shù)字孿生技術(shù)廣泛應(yīng)用面臨挑戰(zhàn)

　　數(shù)字孿生的發(fā)展和實(shí)現(xiàn)是眾多技術(shù)共同發(fā)展的結(jié)果。從數(shù)據(jù)采集到功能實(shí)現(xiàn)主要分為4層，分別為數(shù)據(jù)采集傳輸層、建模層、功能實(shí)現(xiàn)層、人機(jī)交互層。每層之間是遞進(jìn)關(guān)系，都將上一層的功能實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展和豐富。數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)體系涵蓋感知控制、數(shù)據(jù)集成、模型構(gòu)建、模型互操作、業(yè)務(wù)集成、人機(jī)交互六大核心技術(shù)。

　　目前，數(shù)字孿生還處在初級發(fā)展階段，但要步入廣泛應(yīng)用階段，還將面臨數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)知識庫、安全、多系統(tǒng)融合和人才等5方面挑戰(zhàn)。

　　3.1 數(shù)據(jù)問題

數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的關(guān)鍵所在，現(xiàn)階段與數(shù)據(jù)有關(guān)的問題主要有：多維度、多尺度數(shù)據(jù)采集不一致；數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性不足；受多源數(shù)據(jù)獲取方式的影響，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性難以保障；海量數(shù)據(jù)的存儲與處理能力欠缺；通信接口協(xié)議及相關(guān)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一；數(shù)據(jù)的分享與開放機(jī)制不完善以及多源異構(gòu)多模數(shù)據(jù)較難實(shí)現(xiàn)集成、融合和統(tǒng)一。

　　3.2 基礎(chǔ)知識庫問題

在系統(tǒng)層級方面，存在著數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化、平臺化的缺失，主要體現(xiàn)在各層級的自身基礎(chǔ)知識庫匱乏，現(xiàn)有層級之間的基礎(chǔ)知識庫互聯(lián)互通障礙以及基礎(chǔ)知識庫的整體架構(gòu)不完善；在生命周期方面，存在著結(jié)構(gòu)化、傳承性、規(guī)劃性缺失的問題；在價(jià)值鏈方面，則存在著現(xiàn)有應(yīng)用價(jià)值不足、兼容性差、盈利模式不明等問題。

　　3.3 數(shù)據(jù)安全問題

主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸和存儲安全方面，數(shù)字孿生系統(tǒng)在應(yīng)用過程中，會產(chǎn)生和存儲海量的生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)和系列外部數(shù)據(jù)等，可通過云端、生產(chǎn)終端和服務(wù)器等存儲方式進(jìn)行存儲，任何一環(huán)都可能涉及數(shù)據(jù)泄密的風(fēng)險(xiǎn)。另外，系統(tǒng)控制安全也需要注意。由于虛擬控制系統(tǒng)可能存在各種未知安全漏洞，極易發(fā)生泄密問題。

　　3.4多系統(tǒng)融合問題

數(shù)字孿生是一個(gè)多維系統(tǒng)的融合，在數(shù)據(jù)、模型和交互各環(huán)節(jié)均涉及融合應(yīng)用，而目前無論是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、模型構(gòu)建還是交互協(xié)同的環(huán)節(jié)，與數(shù)字孿生構(gòu)架均未深度結(jié)合。

　　3.5 人才問題

現(xiàn)階段數(shù)字孿生核心軟件技術(shù)仍由國外人才主導(dǎo)，國內(nèi)市場缺少數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)化研究相關(guān)的專業(yè)人才。

　　4.聚焦關(guān)鍵技術(shù)優(yōu)化數(shù)字孿生

　　解決這些問題，不僅要從宏觀層面給予支持，更要針對關(guān)鍵技術(shù)的研究加大力量。主要可以從以下幾方面著手：以算法為核心，以數(shù)據(jù)和硬件為基礎(chǔ)，以大規(guī)模知識庫、模型庫、算法庫的構(gòu)建與應(yīng)用為導(dǎo)向，重點(diǎn)提升信息建模、信息同步、信息強(qiáng)化、信息分析、智能決策、信息安全等多種數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)。

推出優(yōu)質(zhì)培訓(xùn)課程等方式加強(qiáng)數(shù)字孿生優(yōu)秀平臺或產(chǎn)品的展示與推廣。加強(qiáng)數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)開放與交流平臺建設(shè)，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新，讓需求和技術(shù)得以落地。加強(qiáng)數(shù)字孿生與其他技術(shù)的創(chuàng)新融合，探索和研究更符合數(shù)字孿生相關(guān)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)理論、集成融合技術(shù)及方法。加強(qiáng)數(shù)字孿生相關(guān)人才培養(yǎng)，尤其要加強(qiáng)培養(yǎng)具備數(shù)字孿生與其他領(lǐng)域知識儲備的交叉復(fù)合型人才。

　　盡管數(shù)字孿生及相關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了快速發(fā)展，但從長遠(yuǎn)來看，要釋放數(shù)字孿生的全部潛力，有賴于從底層向上層數(shù)據(jù)的有效貫通，并需要整合整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)中的所有系統(tǒng)與數(shù)據(jù)。隨著新一代信息技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、新材料技術(shù)等系列新興技術(shù)的共同發(fā)展，各項(xiàng)要素得以持續(xù)優(yōu)化，數(shù)字孿生的發(fā)展將一邊探索和嘗試，一邊優(yōu)化和完善。

　　目前，數(shù)字孿生的行業(yè)應(yīng)用層出不窮。隨著人工智能﹢三維數(shù)字化自動建模等技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)效率將大大提高，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智慧城市可視化操作系統(tǒng)，并賦能產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)由2D內(nèi)容升級到3D，及至未來4D實(shí)景三維的提升，賦予人類視覺從2D到4D數(shù)字萬物的跨越。

　　（作者為國際歐亞科學(xué)院院士，廣州大學(xué)地理科學(xué)與遙感學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師）