上世紀四五十年代，以計算機、半導體、原子能技術(shù)為代表的第三次工業(yè)革命爆發(fā)，拉開了人類信息時代的序幕。

在隨后的數(shù)十年里，信息的價值得到了越來越多的重視，成為社會的主要財富。而信息技術(shù)，作為信息價值的挖掘工具，則得到了日新月異的發(fā)展。信息和信息技術(shù)，改變了我們每個人的工作和生活方式，推動了經(jīng)濟的飛速發(fā)展，給整個社會帶來的顛覆性變革。

進入21世紀以后，信息技術(shù)的發(fā)展有了新的變化。

以云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能為代表的算力技術(shù)演進，以及以全光網(wǎng)絡、4G/5G、Wi-Fi 6為代表的聯(lián)接力技術(shù)飛躍，使得人們對數(shù)字技術(shù)提出了更高的期望。人們希望在信息化的基礎上，進一步實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化，將澎湃的數(shù)字動能從個人消費領(lǐng)域轉(zhuǎn)向包括工業(yè)制造、交通物流、教育醫(yī)療等在內(nèi)的各個垂直行業(yè)，實現(xiàn)全行業(yè)及整個社會的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

換句話說，數(shù)字技術(shù)除了幫助消費者更好地社交、娛樂之外，還要幫助企業(yè)升級制造工藝、改進經(jīng)營流程，進一步提升生產(chǎn)力。此外，還要幫助政府提升治理能力、優(yōu)化管理效率，改善居民的城市生活質(zhì)量。

數(shù)字孿生技術(shù)，就是基于這樣的時代背景誕生的。

2011年3月，美國空軍實驗室首次提出了數(shù)字孿生（Digital Twin）。當時，他們將這一概念用于戰(zhàn)斗機維護工作的數(shù)字化。

不久后，另外兩家公司關(guān)注到了數(shù)字孿生，并決定將它在民用領(lǐng)域發(fā)揚光大。這兩家公司，分別是美國的通用電氣（GE），以及德國的西門子（Siemens）。

通用電氣和西門子是世界級的工業(yè)巨頭，長期關(guān)注工業(yè)的自動化和數(shù)字化改造，也一直在研究工業(yè)4.0。

對他們來說，數(shù)字孿生信息技術(shù)發(fā)展到新一階段的產(chǎn)物，是典型的工業(yè)數(shù)字化技術(shù)，代表了工業(yè)制造手段與數(shù)字科技深入融合發(fā)展的未來方向。為此，他們投入了大量的資源，全力進行數(shù)字孿生技術(shù)的研發(fā)，并將其推向全球各個領(lǐng)域。

什么是數(shù)字孿生

說了半天，到底什么是數(shù)字孿生呢？

數(shù)字孿生的官方概念非常拗口，是這么說的：

數(shù)字孿生，是綜合運用感知、計算、建模等信息技術(shù)，通過軟件定義，對物理空間進行描述、 診斷、預測、決策，進而實現(xiàn)物理空間與賽博空間（Cyberspace，可以理解為數(shù)字虛擬空間）的交互映射。

刪掉描述，提煉骨干，會變得簡單一些：“數(shù)字孿生，是物理空間和數(shù)字虛擬空間的交互映射?！?/p>

更簡單來說，數(shù)字孿生就是在一個設備或系統(tǒng)的基礎上，創(chuàng)造一個數(shù)字版的“克隆體”。這個“克隆體”，也被稱為“數(shù)字孿生體”。

對于很多人來說，數(shù)字孿生很容易與“數(shù)字建?！被煜?。畢竟，數(shù)字建模也是建立了一個仿真克隆。

但實際上，數(shù)字孿生和“數(shù)字建模”是有很大區(qū)別。數(shù)字孿生的特性，概括起來就是4個詞——“動態(tài)”、“全生命周期”、“實時/準實時”、“雙向”。

所謂“動態(tài)”，是指本體的實時狀態(tài)、還有外界環(huán)境狀態(tài)，會通過傳感器等手段，復現(xiàn)到數(shù)字孿生體上。也就是說，孿生體不是靜止的，而是變化的。

“全生命周期”，則是指數(shù)字孿生貫穿于產(chǎn)品的整個生命周期，包括設計、開發(fā)、制造、服務、維護乃至報廢回收等。它并不僅限于幫助企業(yè)把產(chǎn)品本體造出來，還在于幫助企業(yè)使用和維護本體。

“實時/準實時”，很好理解，就是前面所說的“動態(tài)”數(shù)字反應，是實時/準實時實現(xiàn)的，沒有大的時延，沒有明顯滯后性。

“雙向”這個特性非常關(guān)鍵。傳統(tǒng)建模往往是單向的——建立模型，然后依據(jù)模型制造本體。數(shù)字孿生完全不同，孿生體除了接收本體數(shù)據(jù)之外，還可以反向給本體輸送數(shù)據(jù)。企業(yè)可以根據(jù)孿生體反饋的信息，對本體采取進一步的行動和干預。

站在技術(shù)的角度來看，數(shù)字孿生的技術(shù)體系是非常龐大的。它的感知、計算和建模過程，涵蓋了感知控制、數(shù)據(jù)集成、模型構(gòu)建、模型互操作、業(yè)務集成、人機交互等諸多技術(shù)領(lǐng)域，門檻很高。

數(shù)字孿生的技術(shù)競爭，實際上是云計算、大數(shù)據(jù)、3D建模、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及人工智能等ICT先進技術(shù)綜合實力的博弈。

數(shù)字孿生的應用價值

從本質(zhì)上來說，數(shù)字孿生是一項借助數(shù)字空間孿生模型，對物理空間真實本體進行模擬的技術(shù)。之所以要模擬，無非是兩個原因：其一，物理本體的造價昂貴，試錯成本太高，超過了承受能力。其二，就是物理本體獨一無二，不支持物理復制，沒有試錯的機會。

前面提到的美國空軍實驗室和通用電氣公司，最早的數(shù)字孿生對象，就是造價昂貴的飛機及飛機發(fā)動機。截至2018年，通用電氣就已經(jīng)積累開發(fā)了120萬個數(shù)字孿生體。根據(jù)他們自己的說法，他們已經(jīng)為每個引擎、每個渦輪、每臺核磁共振都創(chuàng)造了一個數(shù)字孿生體。

建立了數(shù)字孿生體之后，他們采集物理本體的運行數(shù)據(jù)，放在孿生體上。然后，他們可以大膽創(chuàng)新，充分試錯，進行產(chǎn)品設計改動，進行模擬仿真試驗，觀察效果，從而判斷是否執(zhí)行實際產(chǎn)品的改動。這樣一來，試錯的成本和風險大幅下降，也縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期。

什么樣的系統(tǒng)，是獨一無二、不支持物理復制的呢？

當然是那種大型的、真實的、公共的、正在使用的系統(tǒng)。大家應該都想到了，我們每天生活著的城市，就是這樣的一個系統(tǒng)。

城市是極為復雜的。在城市里，有百萬甚至千萬級的人口，有不計其數(shù)的建筑、車輛，還有交織密布的基礎設施網(wǎng)絡（道路、水電煤氣、通信）。我們沒有辦法直接在城市里做試驗，也沒辦法復制一個物理城市來做試驗。所以，我們需要借助數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建一個數(shù)字空間的虛擬城市，進行仿真、試驗和試錯，提升城市的管理和運營效率。

數(shù)字孿生賦能智慧交通

交通是一個城市最重要的功能之一。我們以騰訊數(shù)字孿生平臺為例，詳細看一下數(shù)字孿生技術(shù)是如何賦能智慧交通行業(yè)應用的。

首先，我們看看城市交通數(shù)字孿生體的搭建。

騰訊利用城市級三維重建技術(shù)，基于自己的高精度地圖數(shù)據(jù)，可以真實還原出整個城市的樓宇、道路等主體要素。然后，是樹木綠化、公交站臺、交通標記、交通標線等靜態(tài)元素。

靜態(tài)元素有了，車輛、行人等動態(tài)元素怎么辦？難道像電腦游戲里面一樣，隨時生成？

當然不是。交通孿生系統(tǒng)中的車輛和行人，并不是完全虛擬出來的或者隨機生成的。

數(shù)字孿生平臺是通過路測攝像頭，實時采集真實道路監(jiān)控中的影像，檢測和感知各個目標（車輛、行車等），然后將目標數(shù)據(jù)“提取”出來，模型化之后，同步融入到數(shù)字孿生環(huán)境中。

這樣一來，才算真正實現(xiàn)了真實路面交通和虛擬環(huán)境的深度融合。實時交通流大數(shù)據(jù)，在數(shù)字空間被真實還原了。

在整個城市的大規(guī)模車道級實時仿真下，交通流數(shù)據(jù)可以像我們使用地圖導航APP一樣，通過顏色（交通熱力圖），進行可視化呈現(xiàn)。城市交通的擁堵情況，一覽無余。

交通數(shù)字孿生體搭建完成之后，我們站在上帝視角，可以做的事情就很多了。

首先，我們可以進行特殊情況下的交通車流變化推演。模擬出現(xiàn)交通事故，或主辦大型賽事或演出，觀察車流的變化，考驗交通路網(wǎng)的承受能力，為城市交通主管部門制定應急預案提供決策依據(jù)。

其次，可以模擬交通信號燈的設計優(yōu)化方案，為管理部門優(yōu)化交通管理調(diào)度提供技術(shù)支持。

還有，基于虛擬環(huán)境，為救護車、消防車等緊急車輛提供路線動態(tài)規(guī)劃，挽救生命。

在數(shù)字孿生環(huán)境中，騰訊還引入了游戲引擎相關(guān)技術(shù)，自由模擬各種天氣狀態(tài)，評估天氣對交通路網(wǎng)系統(tǒng)運能帶來的影響，提前做好災害天氣環(huán)境下的應急預案。

值得一提的是，交通數(shù)字孿生平臺并不是封閉的。它可以對合作伙伴開放低成本低門檻的API接口，方便他們進行業(yè)務系統(tǒng)集成調(diào)用，做大做強交通產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

除了城市交通之外，城際高速公路也是交通數(shù)字孿生的重要應用場景。

在這個場景中，數(shù)字孿生技術(shù)強調(diào)的是主動運營，也就是把整個高速公路管理起來。

通過ETC、攝像頭、車聯(lián)網(wǎng)終端、RSU（路側(cè)單元）、蜂窩基站甚至衛(wèi)星，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。通過云端或現(xiàn)場MEC（邊緣計算節(jié)點），可以進行數(shù)據(jù)的計算和處理。

對于高速公路的管理部門來說，基于感知到的車流、路面、天氣、事故數(shù)據(jù)，可以輕松實現(xiàn)對高速公路全要素全時空的主動安全式精細管控，例如車道級定位及引導，動態(tài)路徑編排，交通基礎設施調(diào)控，等等。

對于駕駛員來說，交通數(shù)字孿生技術(shù)具備準確率達到95%的精準感知能力，以及300ms端到端時延的通信能力。它可以將異常事件告警以視覺和聲音的方式，發(fā)送到駕駛員的孿生終端上，提高駕駛員的安全通行能力。

尤其是在惡劣天氣（例如大霧、暴雨等）以及黑夜情況下，駕駛員的視線受阻，可以通過孿生駕駛員端獲取實時精準的周邊路況情況。

基于交通數(shù)字孿生技術(shù)，系統(tǒng)還可以為車主提供LBS伴隨式服務，將服務通過微信、地圖APP等方式，推送給車主，改善駕乘體驗。

交通數(shù)字孿生技術(shù)的另外一個顯著特點，是可計算能力。

它主要體現(xiàn)在仿真預測的道路交通可計算和空間可計算能力。通過仿真預測，可以預知未來1個小時的交通流狀況，支撐不同交通管理場景的應急預案仿真，為決策者提供科學量化的決策依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

最后再說說現(xiàn)在很火的無人駕駛。

無人駕駛是智慧出行的一個終極發(fā)展方向。目前，各大廠商都在積極進行相關(guān)技術(shù)的研究和測試。

然而，想要實現(xiàn)無人駕駛技術(shù)的普及，最重要的一點，就是行駛數(shù)據(jù)的海量測試和學習。但是，目前的法律法規(guī)，以及路況條件，并不允許無人駕駛車輛隨意進入真實道路環(huán)境進行測試。這時，數(shù)字孿生環(huán)境就可以發(fā)揮作用了。

基于數(shù)字孿生環(huán)境，可以自由組合構(gòu)建自動駕駛測試環(huán)境，在云端實現(xiàn)城市級云仿真環(huán)境的并行加速測試，而且是7×24小時不間斷測試，每天可以測試1000萬公里。這對于無人駕駛技術(shù)來說，簡直就是福音。無人駕駛技術(shù)的開發(fā)周期可以大幅縮短，加速普及落地。

結(jié)語

總而言之，數(shù)字孿生作為一項“虛實結(jié)合”的數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)，正在各個領(lǐng)域加速落地。產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的時代浪潮，更是推動了它的價值爆發(fā)。

未來的一百年，人類如果想要實現(xiàn)更大的野心，以數(shù)字孿生為代表的虛擬空間技術(shù)，將是重要的工具和場景。

數(shù)字孿生到底還有多大的潛力？讓我們拭目以待吧！