在漫威電影《鋼鐵俠》系列中，鋼鐵俠托尼·史塔克僅僅通過虛擬影像映射，就可以對身上的戰衣進行設計或修理。這一幕承載了人類對于未來工業制造等行業的無盡想象。在現實中，人們對此類場景也有一個特定的概念，即數字孿生。自元宇宙概念興起，數字孿生一詞也開始越來越多地進入人們的視野。
那么，作為構建元宇宙的基礎和關鍵技術之一，數字孿生到底是什么?
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什么是數字孿生?
一切還要從元宇宙說起，它描繪了一個構建在網絡上，脫胎于現實世界，又與現實世界相互平行、相互影響，并始終在線的虛擬世界。而想要構建這個概念中的“世界”，最重要的技術之一便是數字孿生。
數字孿生，英文名為Digital Twin(數字雙胞胎)，也被稱為數字映射、數字鏡像。它的官方定義非常復雜，是這么說的：是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。
簡單來說，數字孿生就是在一個設備或系統“物理實體”的基礎上，創造一個數字版的“克隆體”，也被稱為“數字孿生體”。它被創建在信息化平臺上，是虛擬的。在這個“孿生體”中，任何事物都與真實世界完全同步，甚至可以提前感知未來可能出現的事件，實現合理規劃和發展。舉例來說，航空發動機制造商們，為有效檢測發動機的運行狀態，為其創建數字孿生平臺。工程師首先會在電腦里創建發動機的精確虛擬副本，然后在真實世界中為發動機安裝各種傳感器以收集數據，這些傳感器收集到的數據會實時傳輸給計算機中的數字孿生平臺。這時只要在虛擬世界中運行發動機，就能模擬在真實世界中發動機的運行情況。同時，經過長時間的虛擬運行，工作人員就能收集發動機的運行狀況與方式，從而了解其維護周期。
數字孿生的重要性不僅在于它可以復刻真實世界，更重要的是它可以與物理實體互動，甚至反向控制物理實體。物理實體和其孿生體之間的數據流動也可以是雙向的，并不只是實體向孿生體輸出數據，孿生體也可以向實體反饋信息。也就是說，數字孿生體是會“動“的。
此外，理解數字孿生還需要記住三個關鍵詞，即“全生命周期“ ”實時/準實時“ ”雙向“。全生命周期指的是數字孿生可以貫穿產品包括設計、開發、制造、服務、維護乃至報廢回收的整個周期。它不僅可以幫助企業把產品更好地造出來，還能幫助用戶更好地使用產品。而實時/準實時指的是本體和孿生體之間可建立的全面實時或準實時的聯系。兩者并不是完全獨立的，映射關系也具備一定的實時性。雙向則指的是本體和孿生體之間的數據流動可以是雙向的。并不是只能本體向孿生體輸出數據，孿生體也可以向本體反饋信息。企業可以根據孿生體反饋的信息，對本體采取進一步的行動和干預。
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數字孿生的起源
在追溯數字孿生的起源時，業界多數認為“數字孿生”概念的發明者是美國密歇根州立大學教授邁克爾·格里弗斯(Michael Grieves)。他在2002年10月美國制造工程協會管理論壇上的一次演講中，提及了類似數字孿生的相關概念。他還曾在2003年的一次高管培訓上，提出了“物理產品的數字等同體和數字孿生體概念“。
2009年，美國空軍相關實驗室首次明確提到數字孿生的概念：“機身數字孿生(Airframe Digital Twin)”。2010年，美國國家航空航天局(NASA)在《建模、仿真、信息技術和處理》和《材料、結構、機械系統和制造》兩份技術路線圖中正式開始使用“數字孿生(Digital Twin)”這一名稱。
其實，數字孿生技術最早可以追溯到20世紀70年代，NASA開始使用數字孿生技術對航天器進行建模和仿真，當時每個航行航天器都被精確地復制成地球版本，用于研究和模擬目的，由在飛行機組人員中服役人員使用。這個技術不僅可以幫助測試航天器的設計，還能夠幫助減少生產成本和縮短開發周期。后來才擁有一個更為響亮的名號：數字孿生。
2004年，我國科研人員王飛躍發表名為《平行系統方法與復雜系統的管理和控制》的文章，文中提出了平行系統的概念，這也和數字孿生的概念非常接近。2015年前后，中國也開始跟進數字孿生技術。當時包括工業4.0研究院在內的多家國內研究機構和企業，紛紛啟動了數字孿生相關的研究課題。總之，“數字孿生”概念的出現，為人類的未來提供了一條愈發清晰的探索之路。
03
數字孿生的應用場景
雖然元宇宙現在還言之尚早，但作為實現元宇宙重要的底層技術之一的數字孿生卻早已經在多個場景(領域)得到應用。
工業領域
在數字孿生應用場景中，最為典型的應用就是在工業領域中。以制造業為例，數字孿生技術可以通過建立虛擬工廠、仿真生產過程等方式，為制造類企業提供重要的決策支持，通過收集大量的數字孿生的生產數據，分析生產過程中的瓶頸和問題，并為生產過程優化提供方案。
智慧城市領域
通過數字孿生技術，可將城市街區的物理環境與數字模型進行實時同步，以實現對城市管理的精確監測和合理決策。通過傳感器設備獲取街區各個角落的數據，將這些數據傳輸到數字模型中，再通過算法進行分析和預測，幫助城市管理者更好地了解和把控城市的運行狀態。
交通領域
交通駕駛場景復雜，交通堵、停車難、行車亂等問題愈發頻繁，而具備實時性、閉環型的數字孿生技術可以通過交通數據的采集和處理，對城市交通系統建模進行交通仿真，進而對城市交通運行狀況進行模擬和優化，提出有效的交通管理策略，從而使城市交通更加高效、安全、穩定。
農業領域
農業是一個高度復雜和動態的領域，生產過程會受到天氣、病蟲害、季節和氣候因素等相關條件的影響。數字孿生技術能夠幫助農業從業人員實現對農場運營的實時監控，并及時評估生產策略，實時調整生產計劃，從而達到高質量的生產力水平。
醫療領域
通過數字孿生技術建立虛擬人體模型，模擬人體的各種生理和病理情況，幫助醫生制定更有效的治療方案，并提供更準確的醫療預測和風險評估。此外，數字孿生技術還可用于醫學教育和培訓，讓醫學生通過虛擬實驗和模擬操作來提高技能。
以數字孿生為代表的新技術，正加速推動經濟社會發展方式和治理模式的變革重塑。今年2月，中國信息通信研究院發布的《數字孿生城市產業圖譜研究報告(2022年)》顯示，2020年到2030年是我國數字孿生產業增長期，當前數字孿生市場需求和技術均正處于高速發展階段。未來，數字孿生技術也將繼續引領著未來的科技發展。相信隨著技術的不斷進步和應用場景的不斷拓展，數字孿生產業將會為社會、經濟和生活帶來更加深刻的變革。
