數(shù)字孿生(DigitalTwin)是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)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(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。

巴黎圣母院的一場大火讓世界嘆息，修復(fù)工作也立刻被提上議程。

從目前來看，恢復(fù)大教堂的信息比較豐富，包括各種平面圖像、3D圖像等。而更為重要的是，美國瓦薩學(xué)院的藝術(shù)歷史學(xué)家安德魯?塔隆(AndrewTallon)在2014-2015年期間，通過使用激光掃描儀創(chuàng)建了一個(gè)完美無瑕的大教堂的數(shù)字模型。

通過這個(gè)數(shù)字模型不僅建立起大教堂的三維圖像，同時(shí)能夠揭示其他難以察覺的結(jié)構(gòu)問題。巴黎圣母院已經(jīng)在虛擬世界中得到永生，數(shù)字模型或許也能夠幫助巴黎圣母院的修復(fù)，讓其“重生”。

通過數(shù)字模型，越來越多的人認(rèn)識(shí)到數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值。此前的波音空難調(diào)查中，也凸顯出數(shù)字孿生技術(shù)的重要作用。

1數(shù)字孿生是什么

數(shù)字孿生(DigitalTwin)是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)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(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。

數(shù)字孿生是一個(gè)物理產(chǎn)品的數(shù)字化表達(dá)，以便于我們能夠在這個(gè)數(shù)字化產(chǎn)品上看到實(shí)際物理產(chǎn)品可能發(fā)生的情況，與此相關(guān)的技術(shù)包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)。

美國國防部最早提出利用DigitalTwin技術(shù)，用于航空航天飛行器的健康維護(hù)與保障，隨后逐漸拓展到其他領(lǐng)域。

在未來，物理世界中的各種事物都將可以使用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行復(fù)制。

2數(shù)字孿生可以應(yīng)用到哪些方面

數(shù)字孿生具有將虛擬空間和物理實(shí)體緊密融合的特點(diǎn)，在5G技術(shù)下，數(shù)字孿生將更容易落地。

工業(yè)

數(shù)字孿生目前主要運(yùn)用于工業(yè)中，在工業(yè)領(lǐng)域，通過數(shù)字孿生技術(shù)的使用，將大幅推動(dòng)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)及維修等環(huán)節(jié)的變革。

基于模型、數(shù)據(jù)、服務(wù)方面的優(yōu)勢，數(shù)字孿生正成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)亦成為數(shù)字孿生技術(shù)擴(kuò)展應(yīng)用場景的孵化床，從制造業(yè)逐步延伸拓展至更多的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)空間。

目前洛克希德?馬丁公司視它為未來國防工業(yè)6大頂尖技術(shù)之首，美國GE公司已為每個(gè)引擎、每個(gè)渦輪、每臺(tái)核磁共振，創(chuàng)造了一個(gè)數(shù)字孿生體，通過這些擬真的數(shù)字化模型，在虛擬空間調(diào)試、實(shí)驗(yàn)，以讓機(jī)器的運(yùn)行效果達(dá)到最佳。

通過數(shù)字孿生技術(shù)，不僅能夠?qū)S設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)判和及時(shí)維修，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，遠(yuǎn)程維修，極大降低運(yùn)營成本，提高安全性。

醫(yī)療

在個(gè)人的健康監(jiān)測與管理方面，通過數(shù)字孿生可以更清楚地了解我們身體的變化，對疾病做出及時(shí)預(yù)警。

未來通過各種新型醫(yī)療檢測和掃描儀器以及可穿戴設(shè)備，我們可以完美地復(fù)制出一個(gè)數(shù)字化身體，并可以追蹤這個(gè)數(shù)字化身體每一部分的運(yùn)動(dòng)與變化，從而更好地進(jìn)行健康監(jiān)測和管理。但同時(shí)，時(shí)刻監(jiān)測反饋所帶來的心理暗示是否會(huì)影響人類健康又會(huì)成為課題。

通過5G等傳輸技術(shù)，遠(yuǎn)程醫(yī)療也將能夠更為普及。目前全國首例基于5G的遠(yuǎn)程人體手術(shù)――帕金森病“腦起搏器”植入手術(shù)成功完成，這對實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)醫(yī)療資源下沉、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)診療有著重要意義。

全國首例基于5G的遠(yuǎn)程人體手術(shù)

智慧城市

未來，無人機(jī)群將為城市提供基于圖像掃描的城市數(shù)字模型，街道、社區(qū)、娛樂、商業(yè)等各功能模塊都將擁有數(shù)字模型。

隨著城市數(shù)字模型的擴(kuò)充與發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)將覆蓋城市的每條電力線、變電站、污水系統(tǒng)、供水和排水系統(tǒng)、城市應(yīng)急系統(tǒng)、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，高速公路，交通控制系統(tǒng)等所有看見或看不見的地方。

目前中國的雄安新區(qū)定位于綠色、智能的數(shù)字孿生城市。

其市民服務(wù)中心以實(shí)踐“數(shù)字孿生”理念為指引，深度融合應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)，從基礎(chǔ)設(shè)施智能化、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)、塊數(shù)據(jù)平臺(tái)、多場景智能應(yīng)用等各領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)物理空間與虛擬數(shù)字空間交互映射、融合共生，正在建立起國際領(lǐng)先、中國特色的智慧生態(tài)示范園區(qū)。

雄安新區(qū)街道及地下管廊示意圖

3目前的困境

據(jù)預(yù)測，到2022年，85%的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)將使用某種數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行監(jiān)控，少數(shù)城市將率先利用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行智慧城市的管理。但目前還存在很多的困境。

數(shù)字孿生技術(shù)需要進(jìn)行全域感知、運(yùn)行監(jiān)測，并整合歷史積累數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，還要做到快速及時(shí)地輸出信息，首先是高度依賴傳感器所采集的數(shù)據(jù)和信息。

在數(shù)據(jù)的感知方面，在目前的技術(shù)水平看來，在工廠中對機(jī)器的精確的全域感知依然有難度，更不要說其他領(lǐng)域了。物理實(shí)體的數(shù)據(jù)不夠詳盡，因此數(shù)字副本也會(huì)有所缺失，這就會(huì)導(dǎo)致數(shù)字副本得出的預(yù)測和判斷有誤差，這個(gè)問題的解決需要芯片、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)進(jìn)步。

其次軟件上，需要更加先進(jìn)的算法，各類軟件的整合，例如利用人工智能、邊緣計(jì)算等技術(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行更加快速的分析處理，進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。

目前數(shù)字孿生技術(shù)的瓶頸來自方方面面，還無法大規(guī)模普及使用，但它可以為工業(yè)制造、未來生活帶來無限的可能。隨著其他技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生將有更多想象空間。