隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等IT技術(shù)，以及人工智能、機器學(xué)習(xí)等智能技術(shù)的持續(xù)發(fā)展和深化應(yīng)用，各行各業(yè)貫徹加快建設(shè)制造強國，加快發(fā)展先進制造業(yè)，推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合。
數(shù)字化轉(zhuǎn)型將通過數(shù)字技術(shù)與工業(yè)技術(shù)的融合來推動產(chǎn)品設(shè)計、工藝、制造、測試、交付、運維全環(huán)節(jié)的產(chǎn)品研制創(chuàng)新，通過數(shù)字技術(shù)與管理技術(shù)的融合來推動計劃、進度、經(jīng)費、合同、人員、財務(wù)、資源、交付、服務(wù)和市場全鏈條的企業(yè)管理創(chuàng)新。數(shù)字孿生作為重要的支撐理論和技術(shù)得到更多關(guān)注與認可。
數(shù)字孿生概念及發(fā)展
數(shù)字樣機是數(shù)字孿生的最初形態(tài)。數(shù)字樣機概念是對機械產(chǎn)品整機或者具有獨立功能的子系統(tǒng)的數(shù)字化描述。通過這種描述反映產(chǎn)品對象的幾何屬性，以及產(chǎn)品的功能和性能特性。在產(chǎn)業(yè)實踐中，數(shù)字樣機首先在設(shè)計階段被定義為數(shù)字化產(chǎn)品定義（digital product definition，DPD），通過DPD來表達產(chǎn)品的設(shè)計信息，構(gòu)建表征物理客體的數(shù)字化模型，此時的DPD因限定于產(chǎn)品定義階段，所以對物理客體的全生命周期信息表達不全面，尤其是制造階段和服務(wù)階段的定義表達與應(yīng)用管理問題日益突出。
因DPD存在對產(chǎn)品全生命周期信息表述不全面的問題，Grieves教授于2003年提出數(shù)字孿生的概念。此時的數(shù)字孿生統(tǒng)稱為狹義數(shù)字孿生，其定義對象就是產(chǎn)品及產(chǎn)品全生命周期的數(shù)字化表征。Grieves將數(shù)字孿生定位為一套從微觀原子級到宏觀幾何級全面描述潛在生產(chǎn)或者實際制造產(chǎn)品的虛擬信息結(jié)構(gòu)。由此可以看出數(shù)字孿生的概念首次在定義對象中明確為產(chǎn)品，在定義內(nèi)容方面，從產(chǎn)品的設(shè)計階段擴展到產(chǎn)品全生命周期。通過數(shù)字樣機的概念延伸和擴展，實現(xiàn)對物理產(chǎn)品全生命周期信息的數(shù)字化描述，并有效管控產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)信息。
廣義數(shù)字孿生在定義對象方面進行了較大延伸，從產(chǎn)品擴展到產(chǎn)品之外的更廣泛領(lǐng)域。數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的行為，通過虛實交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實體增加或擴展新的能力。作為一種充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能并集成多學(xué)科的技術(shù)，數(shù)字孿生面向產(chǎn)品全生命周期過程，發(fā)揮連接物理世界和信息世界的橋梁和紐帶作用，提供更加實時、高效、智能的服務(wù)。Gartner在2018年和2019年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢中將數(shù)字孿生作為重要技術(shù)之一，其對數(shù)字孿生描述為：數(shù)字孿生是現(xiàn)實世界實體或系統(tǒng)的數(shù)字化表現(xiàn)。由此可見，數(shù)字孿生成為任何信息系統(tǒng)或數(shù)字化系統(tǒng)的總稱。
數(shù)字孿生能力模型
當(dāng)把數(shù)字孿生視為現(xiàn)實世界實體或系統(tǒng)的數(shù)字化表現(xiàn)時，更注重架構(gòu)引領(lǐng)、模型驅(qū)動、數(shù)據(jù)驅(qū)動、虛實融合要求。為此，從過程演化角度建立數(shù)字孿生的“定義、展現(xiàn)、交互、服務(wù)、進化”五維度能力模型。其中，數(shù)據(jù)是整個能力模型的基礎(chǔ)，五大能力圍繞數(shù)據(jù)來發(fā)揮作用和效能。
數(shù)字孿生作為現(xiàn)實世界實體或系統(tǒng)的數(shù)字化表現(xiàn)，因人類社會尚有未發(fā)現(xiàn)的真理、未發(fā)明的技術(shù)、未掌握的知識技能，故對物理客體的認識本身始終是逐漸逼近真相的過程，因而數(shù)字孿生的構(gòu)建能力是模型驅(qū)動的基礎(chǔ)，是推動對客體認識的不斷深入，不斷定義的過程。
數(shù)字孿生的展現(xiàn)能力要求對數(shù)字空間中定義的客體的動態(tài)和靜態(tài)內(nèi)容進行展示。靜態(tài)內(nèi)容包括客體屬性、方法、行為相關(guān)數(shù)據(jù)及其關(guān)聯(lián)，動態(tài)內(nèi)容是根據(jù)客體可視化需要動態(tài)、快速、準(zhǔn)確展示實時或準(zhǔn)實時的可變信息，最終實現(xiàn)高逼真、高精度、高動態(tài)的信息展現(xiàn)，為更科學(xué)認知物理客體提供手段。
交互能力是數(shù)字孿生有別于傳統(tǒng)信息化系統(tǒng)和數(shù)字應(yīng)用的關(guān)鍵特性。數(shù)字孿生通過多種傳感設(shè)備或終端實現(xiàn)與物理世界的動態(tài)交互，因為具有了動態(tài)交互能力才將物理世界與數(shù)字世界連接為整體，從而導(dǎo)致數(shù)字孿生可以實時、準(zhǔn)確獲取物理客體的信息，數(shù)字孿生依據(jù)定義模型和客體信息進行實時計算與分析，并將分析結(jié)果反饋給物理客體，為物理客體的執(zhí)行提供信息參考，或為相應(yīng)人員提供決策支持，從而可更準(zhǔn)確、及時、客觀把握客體狀態(tài)并進一步增強與物理客體的耦合時效。
服務(wù)能力是數(shù)字孿生對物理客體賦能的體現(xiàn)，在傳統(tǒng)物理客體基礎(chǔ)上，因為具有了數(shù)字孿生的支持，可以具備傳統(tǒng)客體不具備的新的特性和能力，導(dǎo)致物理客體自身伴隨數(shù)字孿生發(fā)生實質(zhì)性變化。數(shù)字孿生利用先進的大數(shù)據(jù)分析和人工智能等技術(shù)，獲得超出現(xiàn)有認知的新的信息，為人類認知客體提供更直觀詳實的佐證和依據(jù)，為人類再設(shè)計再優(yōu)化客體提供支持，推動物理實體的改進和提升。同時，物理客體通過配備內(nèi)置傳感、物聯(lián)及控制器件，實現(xiàn)對數(shù)字孿生中計算、分析的結(jié)果傳遞和信息的接收，使客體在數(shù)字感知、反饋、分析、自主決策水平方面得以提升。
進化能力指可以隨著客體的發(fā)展存亡，在廣度和深度維度實現(xiàn)對物理客體詳盡描述和記錄，廣度上的進化指可全面記錄客體全生命周期內(nèi)的狀態(tài)、行為、過程等靜態(tài)或動態(tài)信息，具備無限量信息接納能力；深度上的進化指可隨時復(fù)現(xiàn)客體任一時刻的狀態(tài)，并可根據(jù)認知機理和規(guī)則推演或仿真未來時刻的“假設(shè)”場景，并預(yù)判其狀態(tài)。另外，數(shù)字孿生具備自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)能力，可以對自身的各種能力實現(xiàn)迭代和優(yōu)化。
數(shù)字孿生關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)
數(shù)字孿生目前在學(xué)術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域依然處于發(fā)展階段，不僅缺乏系統(tǒng)性的數(shù)字孿生理論/技術(shù)支撐和應(yīng)用準(zhǔn)則指導(dǎo)，同時也存在數(shù)字孿生應(yīng)用中比較優(yōu)勢不明、產(chǎn)品生命周期各階段應(yīng)用不全等問題，這些都有待進一步研究和實踐。
在數(shù)字地球相關(guān)研究中，數(shù)字孿生涉及到以下關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)：
在智慧企業(yè)應(yīng)用要求下，數(shù)字孿生涉及的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)：
軟件架構(gòu)技術(shù)——C/S軟件架構(gòu)、B/S軟件架構(gòu)、SOA軟件架構(gòu)以及微服務(wù)架構(gòu)。
全集數(shù)據(jù)管理技術(shù)——數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)識別、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)技術(shù)狀態(tài)、數(shù)據(jù)安全等。
動態(tài)建模及模型驅(qū)動技術(shù)——復(fù)雜對象、屬性、關(guān)系的動態(tài)表達、計算，不同的客體數(shù)據(jù)連接到數(shù)字孿生定義模型建立模型驅(qū)動業(yè)務(wù)模式。
高效數(shù)據(jù)分析計算技術(shù)和精準(zhǔn)服務(wù)技術(shù)——數(shù)字孿生可以結(jié)合實際的業(yè)務(wù)類型、環(huán)境等要素快速識別、獲取并定義場景，快速完成場景畫像，建立獲取專業(yè)服務(wù)的關(guān)鍵輸入；其次基于畫像的快速數(shù)據(jù)處理，根據(jù)識別后的場景快速組織所需的各類數(shù)據(jù)，依據(jù)對應(yīng)的領(lǐng)域模型，提供快速分析計算服務(wù)，并得到計算結(jié)果。精準(zhǔn)服務(wù)技術(shù)方面需要持續(xù)的知識自動化和智能化技術(shù)，要求不同業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)不斷進行知識積累和沉淀，將各類專業(yè)技術(shù)、專業(yè)技能、專業(yè)流程和專業(yè)服務(wù)數(shù)字化、結(jié)構(gòu)化、軟件化，繼而實現(xiàn)針對業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)篩選和推介。
虛實融合的沉浸式體驗技術(shù)——數(shù)字孿生將充分結(jié)合虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）和混合現(xiàn)實（MR）等多種感知技術(shù)，通過多模式多渠道體驗來實現(xiàn)人們與數(shù)字世界的高效連接。
全產(chǎn)業(yè)鏈服務(wù)解決方案的數(shù)字孿生核心技術(shù)
工程設(shè)備及工藝數(shù)據(jù)采集——傾斜攝影技術(shù)、點云技術(shù)、正射影響數(shù)字高程；
工程數(shù)據(jù)建模——實景建模技術(shù)、語義建模技術(shù)、場景融合技術(shù)；
云計算數(shù)據(jù)平臺——時空信息平臺、大數(shù)據(jù)可視化平臺、語義計算平臺。
數(shù)字孿生底座技術(shù)架構(gòu)
基于數(shù)字孿生底座（3D GIS、BIM、IOT）數(shù)據(jù)，提取影像、點云、傳感器等多種數(shù)據(jù)進行三維空間及結(jié)構(gòu)語義化建模，通過數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)構(gòu)建與物理世界的對應(yīng)數(shù)字世界模型，涵蓋空間信息、業(yè)務(wù)信息的語義數(shù)據(jù)庫（CIM DB），通過面向Server端的統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理平臺（CIM Builder）、時空信息云平臺（CIM Server\GIS Server）、知識工程圖譜和仿真計算平臺（SIM Hub\Graph Builder）、IOT管理平臺（IoT Server）部署搭建微服務(wù)框架開放平臺、API等進行Client端的數(shù)據(jù)可視化展示、仿真及業(yè)務(wù)應(yīng)用，實現(xiàn)物理世界數(shù)據(jù)數(shù)字化的全過程流轉(zhuǎn)、整合、計算、分析及應(yīng)用。
