2020年行將結(jié)束，回顧這一年國內(nèi)科技領(lǐng)域最火的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，除了備受矚目的新基建外，數(shù)字孿生同樣不容忽視。
今年4月，國家發(fā)展改革委重磅發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)“上云用數(shù)賦智”行動培育新經(jīng)濟(jì)發(fā)展實施方案》，其中“數(shù)字孿生”技術(shù)在《方案》中被提及多次，和云計算、人工智能、5G、物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)一樣，受關(guān)注程度上升到國家高度。
同時，全國各地陸續(xù)出臺政策，提前布局?jǐn)?shù)字孿生城市建設(shè)，配套措施也在緊鑼密鼓地落實：
2020年，上海市發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加快智慧城市建設(shè)的若干意見》，探索建設(shè)數(shù)字孿生城市，數(shù)字化模擬城市全要素生態(tài)資源，構(gòu)建城市智能運行的數(shù)字底座。
同年，北京市海淀區(qū)提出，將陸續(xù)實施城市大腦建設(shè)，結(jié)合城市規(guī)劃、建設(shè)、運營搭建海淀區(qū)的數(shù)字孿生城市時空數(shù)據(jù)圖。
去年，貴陽市提出從超大型社區(qū)治理、街區(qū)街道等小型城市生態(tài)系統(tǒng)入手打造數(shù)字孿生城市。浙江省則發(fā)布了未來社區(qū)建設(shè)試點實施方案，制定“未來社區(qū)”九大場景，提出構(gòu)建現(xiàn)實和數(shù)字孿生社區(qū)的要求。舟山市、西咸新區(qū)、重慶市、長三角一體化示范區(qū)等地紛紛采用數(shù)字孿生城市的建設(shè)理念和模式，先后制定智慧城市頂層設(shè)計和規(guī)劃，以數(shù)字孿生城市為導(dǎo)向推進(jìn)智慧城市建設(shè)。
之所以數(shù)字孿生技術(shù)受到如此重視，是因為它可以完全繞過現(xiàn)實實物，直接通過操控數(shù)字孿生體進(jìn)行模擬、仿真和預(yù)測。例如波音公司的波音777客機(jī)，就是利用數(shù)字孿生的初期技術(shù)開發(fā)設(shè)計的。它的整個研發(fā)過程，300多萬個零部件，沒有任何圖紙模型，完全依靠數(shù)字仿真來推演，然后直接進(jìn)行量產(chǎn)。據(jù)報道，這項技術(shù)幫助波音公司減少返工量50%，有效縮短研發(fā)周期40%。
總的來說，數(shù)字孿生技術(shù)能夠困擾人們已久的虛擬世界和現(xiàn)實世界連接交互的問題，它充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能并集成多學(xué)科的技術(shù)，面向產(chǎn)品全生命周期過程，具有可觀的應(yīng)用價值。
利用該技術(shù)，可以在數(shù)字世界模擬出小到一顆螺絲、大到一座城市，甚至精密復(fù)雜如人體的內(nèi)在結(jié)構(gòu)。理論上講，物理世界中的各種事物均可使用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行復(fù)制。據(jù)有關(guān)信息研究和分析機(jī)構(gòu)預(yù)測，未來一到兩年內(nèi)，全世界一半以上的大型生產(chǎn)廠家將使用這一技術(shù)，可以幫助他們提高近10%的生產(chǎn)效率。
正因如此，數(shù)字孿生技術(shù)受到了空前的重視。如今，隨著數(shù)字經(jīng)濟(jì)成為全球熱點，數(shù)字孿生技術(shù)與新基建、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等概念被緊密聯(lián)系在一起，在國家政策的推動下正在加速進(jìn)入普及時代，對我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的影響也日益深刻。
描述這么多，想必很多人會問，數(shù)字孿生究竟從何時開始發(fā)展、目前到達(dá)什么水平，又能夠在哪些方面展開應(yīng)用呢？
數(shù)字孿生理論研究進(jìn)展
數(shù)字孿生，英文名叫Digital Twin（數(shù)字雙胞胎），也被稱為數(shù)字映射、數(shù)字鏡像。其官方定義是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(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)的實體裝備的全生命周期過程。
簡單解釋，就是現(xiàn)實世界的數(shù)字化，以數(shù)字化方式為真實世界建立虛擬模型，模擬其在現(xiàn)實環(huán)境中的行為，進(jìn)而提升產(chǎn)品創(chuàng)新力、生產(chǎn)效率等。
2003年，密歇根大學(xué)教授Dr.Michael Grieves在產(chǎn)品全生命周期管理PLM課程的文檔中提出了“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達(dá)”的概念，即在虛擬空間構(gòu)建的數(shù)字模型與物理實體交互映射，忠實地描述物理實體全生命周期的運行軌跡，這被認(rèn)為是數(shù)字孿生概念的雛形。
但是由于當(dāng)時的理論和技術(shù)條件的限制，數(shù)字孿生技術(shù)并未得到人們的重視。Grieves教授對此概念也做過多次修改，直到2011年采用了“數(shù)字孿生”這一概念來表述。
特別是2011年美國空軍制定未來30年的長期愿景時，美國空軍實驗室AFRL(AirForce Research Laboratory)與NASA合作提出了構(gòu)建未來飛行器的數(shù)字孿生體，總結(jié)為“使用最佳可用的物理模型、升級化的傳感器、飛行器的歷史信息的一個綜合的多物理、多尺度、概率模擬的系統(tǒng)，來反映出它另一個正在運行的孿生兄弟的生命周期”。
初始的定義是通過考慮隨機(jī)性、歷史數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、與真實世界實體交互信息等，形成了一系列能表示多個方面及系統(tǒng)的集成的子模型，通過以上模型來模擬飛行器的壽命。
隨后幾年，數(shù)字孿生真正引起關(guān)注，一些學(xué)者在NASA提出概念的基礎(chǔ)上進(jìn)行了補(bǔ)充和完善，例如Mika Lohtander等人認(rèn)為數(shù)字孿生可更好地感知和預(yù)測生產(chǎn)機(jī)器的性能、生產(chǎn)流程和組成結(jié)構(gòu)，通過采集真實系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來表示真實機(jī)器上實時信息，將真實信息和模擬信息結(jié)合。
因此，數(shù)據(jù)孿生可以被定義為物理過程環(huán)境的歷史和當(dāng)前行為的動態(tài)數(shù)字模型；而Gabor等提出在智能網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)中，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)將物理對象本身的數(shù)字模擬來預(yù)測系統(tǒng)的未來狀態(tài)。由此可見，新的定義添加了數(shù)字孿生對實體全生命周期和在預(yù)測診斷活動中應(yīng)用方面的考慮。
在數(shù)字孿生概念不斷完善和發(fā)展過程中，學(xué)術(shù)界主要針對數(shù)字孿生的建模、信息物理融合、交互與協(xié)作及服務(wù)應(yīng)用等方面開展了相關(guān)研究，不過目前還處于起步階段，有待系統(tǒng)深入地研究。
數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用
近年來，得益于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生的應(yīng)用已逐漸成為可能。
現(xiàn)階段，除了航空航天領(lǐng)域，數(shù)字孿生還被應(yīng)用于電力、船舶、城市管理、農(nóng)業(yè)、建筑、制造、石油天然氣、健康醫(yī)療、環(huán)境保護(hù)等行業(yè)。特別是在智能制造領(lǐng)域，數(shù)字孿生被認(rèn)為是一種實現(xiàn)制造信息世界與物理世界交互融合的有效手段。
許多著名企業(yè)（如空客、洛克希德馬丁、西門子等）與組織（如Gartner、德勤、中國科協(xié)智能制造協(xié)會）對數(shù)字孿生給予了高度重視，并且開始探索基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)新模式。
此外，微軟推出了Azure Digital Twin服務(wù)，能夠創(chuàng)建任何物理環(huán)境的數(shù)字模型，包括連接它們的人員、地點、事物、關(guān)系和流程，并與物理世界保持同步。通過Azure Digital Twins，用戶可以在空間的語境中查詢數(shù)據(jù)，該服務(wù)將成為Azure IoT平臺的一部分；阿里巴巴城市大腦則提出了“數(shù)字孿生交通”、“數(shù)字孿生城市”、“數(shù)字孿生生態(tài)”三個階段的數(shù)字孿生藍(lán)圖；GE公司已經(jīng)擁有了120萬個數(shù)字孿生體，可以處理30萬種不同類型的設(shè)備資產(chǎn)。
IDC的數(shù)據(jù)顯示，世界上40%的大型制造商都會用到數(shù)字孿生系統(tǒng)來建立虛擬模型，數(shù)字孿生技術(shù)被廣泛運用于制造業(yè)，成為企業(yè)邁向工業(yè)4.0的核心解決方案。另外，Gartner機(jī)構(gòu)早在2017年就將數(shù)字孿生技術(shù)列入了十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之中。
它在報告中指出，數(shù)年之內(nèi)，數(shù)以億計的物件將由數(shù)字孿生呈現(xiàn)，企業(yè)將大量運用數(shù)字孿生業(yè)務(wù)。
Gartner還預(yù)測，到2020年，互聯(lián)傳感器與端點將超過200億，數(shù)字孿生將以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，服務(wù)于數(shù)十億個物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。
今年11月，由工信部中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院牽頭編寫的2020年《數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書》。作為新基建背景下的重要研究成果，該白皮書對當(dāng)前我國數(shù)字孿生的技術(shù)熱點、應(yīng)用領(lǐng)域、產(chǎn)業(yè)情況和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行了分析，同時收錄了在智慧城市、智慧交通、智慧能源、智慧建筑、智能制造、智慧健康6大領(lǐng)域的31個應(yīng)用案例。
下面，我們以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智慧城市為例，分析數(shù)字孿生技術(shù)具體如何賦能。
數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用
數(shù)字孿生起源于工業(yè)制造領(lǐng)域。工業(yè)制造也是數(shù)字孿生的主要戰(zhàn)場。
在產(chǎn)品研發(fā)的過程中，數(shù)字孿生可以虛擬構(gòu)建產(chǎn)品數(shù)字化模型，對其進(jìn)行仿真測試和驗證。生產(chǎn)制造時，可以模擬設(shè)備的運轉(zhuǎn)，還有參數(shù)調(diào)整帶來的變化。數(shù)字孿生能夠有效提升產(chǎn)品的可靠性和可用性，同時降低產(chǎn)品研發(fā)和制造風(fēng)險。維護(hù)階段，數(shù)字孿生也能發(fā)揮重要作用。
采用數(shù)字孿生技術(shù)，通過對運行數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)采集和智能分析，可以預(yù)測維護(hù)工作的最佳時間點，也可以提供維護(hù)周期的參考依據(jù)。數(shù)字孿生體也可以提供故障點和故障概率的參考。數(shù)字孿生給工業(yè)制造帶來了顯而易見的效率提升和成本下降，使得幾乎所有的工業(yè)巨頭趨之若鶩。
具體而言，數(shù)字孿生能夠結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)全要素、全價值鏈、全產(chǎn)業(yè)鏈連接的需求，在邊緣側(cè)、私有云、公有云三個層面開展應(yīng)用，進(jìn)而實現(xiàn)從單點、局部到全局的優(yōu)化。
（1）邊緣云——基于數(shù)字孿生開展面向設(shè)備的全狀態(tài)健康管理
在邊緣側(cè)，面向設(shè)備數(shù)字孿生應(yīng)用的時間最早可以追溯到CAX仿真時期，目前發(fā)展較為成熟。通過對人、機(jī)、料、法、環(huán)等生產(chǎn)要素的數(shù)字化、模型化、代碼化，構(gòu)建物理實體設(shè)備的數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)對設(shè)備的全狀態(tài)健康管理。
在設(shè)備狀態(tài)檢測方面，可以通過對物理設(shè)備的幾何形狀、功能、歷史運行數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)（如軸承震動、轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速、定子電流、功率等）進(jìn)行數(shù)字孿生建模，改變了傳統(tǒng)的實體設(shè)備運行的“黑箱”狀態(tài)，可實時監(jiān)測設(shè)備各部件的運行情況。比如，通用電氣擁有3萬個數(shù)字孿生的噴氣發(fā)動機(jī)，可實時獲取發(fā)動機(jī)的運行狀態(tài)、維修配件供應(yīng)情況，以及飛行的環(huán)境溫度、灰塵條件等環(huán)境數(shù)據(jù)，為發(fā)動機(jī)安全運行提供保障。
在遠(yuǎn)程故障診斷方面，數(shù)字孿生體將實體設(shè)備的歷史故障與維修數(shù)據(jù)、實時工況數(shù)據(jù)，與故障診斷知識庫相連，利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)和知識圖譜技術(shù)分析數(shù)字孿生體的情況，實現(xiàn)實體設(shè)備的故障檢測、判斷、定位與恢復(fù)。例如，美國空軍在數(shù)字空間建立了戰(zhàn)斗機(jī)的三維模型，每次飛行任務(wù)結(jié)束后，都會通過數(shù)字孿生體的遠(yuǎn)程分析來評估飛機(jī)結(jié)構(gòu)的可能性狀況，以便遠(yuǎn)程診斷實體飛機(jī)部件是否存在故障。
在預(yù)測性維護(hù)方面，售后維護(hù)人員通過數(shù)字孿生體實時收集產(chǎn)品的各項內(nèi)在性能參數(shù)，繪制工作狀態(tài)與設(shè)計性能之間的關(guān)系曲線，分析各項性能偏差，提前預(yù)判產(chǎn)品零部件的損壞時間，以便主動、及時和提前提供維護(hù)服務(wù)，避免設(shè)備非計劃停機(jī)帶來的損失。
（2）私有云——基于數(shù)字孿生開展面向企業(yè)內(nèi)部的全流程業(yè)務(wù)優(yōu)化
在企業(yè)私有云上，通過對企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、管理等各環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)流程數(shù)字化、模型化，代碼化，建立在數(shù)字空間的映射，對企業(yè)整個生態(tài)進(jìn)行管理。
在精益研發(fā)方面，數(shù)字孿生可以在虛擬空間研發(fā)設(shè)計復(fù)雜多樣型的個性化產(chǎn)品，在沒有實際生產(chǎn)產(chǎn)品的情況下，客戶就可以模擬體驗產(chǎn)品內(nèi)外部功能結(jié)構(gòu)以及功能性能，開發(fā)者則可以驗證產(chǎn)品在真實環(huán)境中的性能。數(shù)字孿生還可以提供沉浸式和差異化的購買體驗來實現(xiàn)與顧客互動。比如法國達(dá)索公司建立了基于數(shù)字孿生的3D體驗平臺，將工程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為真正沉浸式的產(chǎn)品體驗和虛擬應(yīng)用，使寶馬，特斯拉的汽車用戶獲得模擬體驗并感受汽車外觀和內(nèi)飾，通過用戶反饋，形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)以不斷改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計模型，進(jìn)而達(dá)到對物理實體的改進(jìn)升級。
在智能生產(chǎn)方面，在新產(chǎn)品投入使用之前，可以利用數(shù)字孿生預(yù)先對生產(chǎn)計劃排程，訂單管理，質(zhì)量管理，物料管理和設(shè)備管理，進(jìn)行建模測試，找出最優(yōu)方案，幫助企業(yè)縮短新產(chǎn)品導(dǎo)入周期，提高產(chǎn)品交付速度。比如瑪莎拉蒂公司通過對虛擬的數(shù)字孿生體進(jìn)行設(shè)計和測試，縮短了30%新款車型設(shè)計開發(fā)時間，將跑車上市的時間縮短了16個月。在精益管理方面，通過對企業(yè)管理各要素（人，機(jī)，料，標(biāo)準(zhǔn)，流程，制度）和各環(huán)節(jié)（開發(fā)，質(zhì)量，物流，銷售，售后）的數(shù)字孿生，一方面可以將生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時傳輸給管理者，輔助管理者及時準(zhǔn)確的決策，避免出現(xiàn)管理滯后于生產(chǎn)的問題。另一方面，通過分析數(shù)字孿生體，還可發(fā)現(xiàn)不合理和低效的管理流程，從而加以改善和優(yōu)化，提高組織管理效率。比如英國石油公司利用數(shù)字孿生APEX系統(tǒng)，基于每口油井的流態(tài)和壓力數(shù)據(jù)，結(jié)合物理學(xué)的水力模型，實時模擬原油采集和流動情況，通過將模型和實際數(shù)據(jù)配對，模擬分析作業(yè)的影響因素，向工程師展示如何調(diào)整流速，壓力以及其他參數(shù)，實現(xiàn)持續(xù)化生產(chǎn)。APEX系統(tǒng)將過去需要24小時才能完成的系統(tǒng)優(yōu)化過程縮短到20分鐘，2018年APEX使英國石油公司的基準(zhǔn)產(chǎn)量每天增加了19000桶。
（3）公有云——基于數(shù)字孿生開展面向產(chǎn)業(yè)鏈的全環(huán)節(jié)數(shù)字化管理
在公有云上，通過對整個產(chǎn)業(yè)鏈上下游，產(chǎn)業(yè)各要素的生產(chǎn)制造全過程和全生命周期的數(shù)字孿生，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的全環(huán)節(jié)數(shù)字化管理。
在網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同方面，創(chuàng)建供應(yīng)鏈流程和供應(yīng)鏈上所有相關(guān)業(yè)務(wù)信息的鏡像，可以實時監(jiān)控執(zhí)行情況，識別具有差異或結(jié)構(gòu)故障的低效運行的供應(yīng)鏈流程，提出針對具體企業(yè)及整個供應(yīng)鏈物理資源和人力資源的最佳利用方案，提升運營效率，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)價值鏈的增值。例如，斯凱孚構(gòu)建了全球供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字孿生模型，員工通過分析實時同步的、可視化的供應(yīng)鏈運行情況，就可以協(xié)調(diào)全球供應(yīng)商的生產(chǎn)規(guī)模和運營計劃，實現(xiàn)供應(yīng)鏈的全球化協(xié)同。
在個性化定制方面，數(shù)字孿生可以優(yōu)化整段定制旅程，提升用戶體驗。在營銷、研發(fā)、生產(chǎn)階段，數(shù)字孿生能夠構(gòu)建數(shù)字孿生人、數(shù)字孿生產(chǎn)品和數(shù)字孿生工廠，實現(xiàn)基于用戶畫像的個性化精準(zhǔn)營銷、基于虛擬產(chǎn)品體驗的定制設(shè)計、基于預(yù)先虛擬生產(chǎn)的快速排產(chǎn)，從而發(fā)現(xiàn)目標(biāo)客戶、提高用戶參與度和滿意度，縮短生產(chǎn)時間，降低制定成本。
例如，西門子根據(jù)客戶的體重、揮桿姿勢、力量等個體元素，利用數(shù)字孿生量身定制了卡拉威高爾夫球桿，在虛擬環(huán)境中完成研發(fā)和預(yù)生產(chǎn)，球桿定制成本沒有增加，上市周期從2-3年縮短為10-16個月，廣受市場好評。
在服務(wù)化延伸方面，制造商售出實物產(chǎn)品時保留產(chǎn)品研發(fā)團(tuán)隊對產(chǎn)品數(shù)字孿生體的編輯權(quán)限，研發(fā)團(tuán)隊可通過遠(yuǎn)程操控數(shù)字孿生體向?qū)嵨锂a(chǎn)品寫入新的功能，獲取數(shù)據(jù)并提供服務(wù)。數(shù)字孿生使產(chǎn)品本身與產(chǎn)品服務(wù)之間的界限變得模糊，催生了按產(chǎn)品運營效果付費、按授權(quán)服務(wù)付費、按軟件服務(wù)付費、按咨詢服務(wù)付費，以及按物聯(lián)網(wǎng)金融付費等新的商業(yè)模式。比如，美國迪爾公司利用數(shù)字孿生技術(shù)，通過分析挖掘農(nóng)業(yè)機(jī)器收集的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)以及氣象、土壤、種子等數(shù)據(jù)，幫助農(nóng)場主作出科學(xué)的農(nóng)耕決策，從出售產(chǎn)品變?yōu)槌鍪廴椎霓r(nóng)耕服務(wù)。
盡管數(shù)字孿生當(dāng)前在工業(yè)領(lǐng)域有諸多零用，不過，由于它是一個綜合性的技術(shù)，涉及多項技術(shù)，需要很多對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的接口，目前行業(yè)還處于一個比較初級的階段，標(biāo)準(zhǔn)化體系尚未構(gòu)建完成。
所以，這也導(dǎo)致了數(shù)字孿生能為產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來的價值和形式遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于它能完全呈現(xiàn)的。但是，這并不影響各大企業(yè)對于數(shù)字孿生技術(shù)的追捧。比起眼前的應(yīng)用價值，數(shù)字孿生更重要的價值在于為未來發(fā)展提供更多的可能性。
數(shù)字孿生的智慧城市應(yīng)用
相比于工業(yè)制造的“產(chǎn)品生命周期”，城市的“生命周期”更長，數(shù)字孿生帶來的回報更大。當(dāng)然，城市數(shù)字孿生的部署難度也更大。
事實上，印度海德拉巴、新加坡，還有我們中國的深圳、雄安，都已經(jīng)在做這方面的摸索和嘗試。
大量的投資，正在涌向“智慧城市+數(shù)字孿生”的應(yīng)用場景。阿里的“城市大腦”、“數(shù)字平行世界”，還有科大訊飛的“訊飛超腦”，都涉及到智慧城市和數(shù)字孿生的結(jié)合。
如果將數(shù)字孿生運用到城市中，就是在建筑信息模型和城市三維地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)把物理城市的人、物、事件和水、電、氣等所有要素數(shù)字化，在網(wǎng)絡(luò)空間再造一個與之完全對應(yīng)的“虛擬城市”，形成物理維度上的實體城市和信息維度上的數(shù)字城市同生共存、虛實交融的格局。
一個成熟的數(shù)字孿生城市，就是以全域數(shù)字化標(biāo)識和一體化感知檢測為數(shù)據(jù)孿生基礎(chǔ)，以全域全景的數(shù)據(jù)資源、高性能的協(xié)同計算、深度學(xué)習(xí)的機(jī)器智能平臺為城市信息中樞，以數(shù)字孿生模型平臺為城市運行信息集成展示載體，操控城市治理、民生服務(wù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等各系統(tǒng)協(xié)同運轉(zhuǎn)，形成一種自我優(yōu)化的智能運行模式，實現(xiàn)“全域立體感知、萬物可信互聯(lián)、泛在普惠計算、智能定義一切、數(shù)據(jù)驅(qū)動決策”。
從結(jié)構(gòu)來看，數(shù)字孿生城市主要有新型基礎(chǔ)設(shè)施、智能運行中樞、智慧應(yīng)用體系三大橫向的分層：
基礎(chǔ)設(shè)施層：城市新型基礎(chǔ)設(shè)施包括全域感知設(shè)施(包括泛智能化的市政設(shè)施和城市部件)、網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)施和智能計算設(shè)施。與傳統(tǒng)智慧城市不同的是，數(shù)字孿生城市的基礎(chǔ)設(shè)施還包括激光掃描、航空攝影、移動測繪等新型測繪設(shè)施，旨在采集和更新城市地理信息和實景三維數(shù)據(jù)，確保兩個世界的實時鏡像和同步運行。
智能運行中樞：智能運行中樞是數(shù)字孿生城市的能力中臺，由五個核心平臺承載，一是泛在感知與智能設(shè)施管理平臺，對城市感知體系和智能化設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一接入、設(shè)備管理和反向操控。二是城市大數(shù)據(jù)平臺，匯聚全域全量政務(wù)和社會數(shù)據(jù)，與城市信息模型平臺整合，展現(xiàn)城市全貌和運行狀態(tài)，成為數(shù)據(jù)驅(qū)動治理模式的強(qiáng)大基礎(chǔ)。三是城市信息模型平臺，與城市大數(shù)據(jù)平臺融合，成為城市的數(shù)字底座，是數(shù)字孿生城市精準(zhǔn)映射虛實互動的核心。四是共性技術(shù)賦能與應(yīng)用支撐平臺，匯聚人工智能、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、AR/VR等新技術(shù)基礎(chǔ)服務(wù)能力，以及數(shù)字孿生城市特有的場景服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、仿真服務(wù)等能力，為上層應(yīng)用提供技術(shù)賦能與統(tǒng)一開發(fā)服務(wù)支撐。五是泛在網(wǎng)絡(luò)與計算資源調(diào)度平臺，主要是基于未來軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）、云邊協(xié)同計算等技術(shù)，滿足數(shù)字孿生城市高效調(diào)度使用云網(wǎng)資源。
應(yīng)用服務(wù)層：應(yīng)用服務(wù)層是面向政府、行業(yè)的業(yè)務(wù)支撐和智慧應(yīng)用，基于數(shù)字孿生城市的應(yīng)用服務(wù)包含城市大數(shù)據(jù)畫像、人口大數(shù)據(jù)畫像、城市規(guī)劃仿真模擬、城市綜合治理模擬仿真等智能應(yīng)用，社區(qū)網(wǎng)格化治理、道路交通治理、生態(tài)環(huán)境治理、產(chǎn)業(yè)優(yōu)化治理等行業(yè)專題應(yīng)用。
當(dāng)前，我國政府已將數(shù)字孿生城市作為實現(xiàn)智慧城市的必要途徑和有效手段，雄安新區(qū)的規(guī)劃綱要明確指出要堅持?jǐn)?shù)字城市與現(xiàn)實城市的同步規(guī)劃、同步建設(shè)，致力于將雄安打造為全球領(lǐng)先的數(shù)字城市。
中國信通院成功舉辦3次數(shù)字孿生城市研討會，研討數(shù)字孿生城市的內(nèi)涵特征、建設(shè)思路、總體框架、支撐技術(shù)體系等。阿里云研究中心發(fā)布《城市大腦探索“數(shù)字孿生城市”白皮書》，提出通過建立數(shù)字孿生城市，以云計算與大數(shù)據(jù)平臺為基礎(chǔ)，借助物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)手段，實現(xiàn)城市運行的生命體征感知、公共資源配置、宏觀決策指揮、事件預(yù)測預(yù)警等，賦予城市“大腦”。
此外，從國外比較具有代表性的探索來看，新加坡政府已經(jīng)與達(dá)索合作，致力于建立一個數(shù)字孿生城市，用來監(jiān)控城市中從公交車站到建筑物的一切，從而借助數(shù)字孿生城市實現(xiàn)對城市的圖形化監(jiān)控、仿真優(yōu)化、規(guī)劃決策等功能。Cityzenith為城市管理搭建了“5D智能城市平臺”，基于這個平臺，基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)過程可以實現(xiàn)數(shù)字化，以及城市的數(shù)字化全生命周期管理。IBM Watson展示了如何在城市建筑中使用數(shù)字孿生來控制暖通空調(diào)系統(tǒng)并監(jiān)測室內(nèi)氣候條件，通過創(chuàng)建數(shù)字孿生建筑來輔助管理能源并進(jìn)行故障預(yù)測，并為技術(shù)人員提供維護(hù)、控制等服務(wù)支持。
數(shù)字孿生背后的野心
想必很多人依然對巴黎圣母院的那場大火印象頗深。2019年4月15日，巴黎圣母院被大火吞噬，在燃燒了近15個小時后，巴黎圣母院標(biāo)志性的尖頂被燒斷，坍塌倒下，整座建筑受損嚴(yán)重。
此后，人們一直在關(guān)心著這座歷史悠久的建筑能否被重建。然而距離巴黎圣母院大火已過去一年多的時間，在重建方案上法國國內(nèi)依舊沒有達(dá)成共識。但幸運的是，數(shù)字孿生技術(shù)正在將這座具有850多年歷史的建筑“克隆重生”。
除了重建建筑，還可以重建一個系統(tǒng)、一個城市，甚至一個世界。顯然，數(shù)字孿生正是可以“克隆地球”所需的技術(shù)。這種想法似乎是天方夜譚，但是確實有企業(yè)致力于此。
2017年，一個名叫“地球克隆”的理想主義計劃，成為51WORLD最為人所知的標(biāo)簽。隨后該公司于每年12月舉辦地球克隆計劃發(fā)布會，通過搭建一個融合VR、AI、仿真、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的跨界交流平臺，向外界傳達(dá)計劃的進(jìn)程。事實上，目前數(shù)字孿生的應(yīng)用場景僅被開發(fā)不到1%，尚處于發(fā)展初期的數(shù)字孿生在技術(shù)、應(yīng)用、市場上都不足以實現(xiàn)科幻小說或電影所呈現(xiàn)的場景。
在此刻提出“克隆地球”的口號似乎有噱頭營銷的嫌疑，不過，如果從細(xì)分領(lǐng)域出發(fā)，無論是在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市，或者是醫(yī)療、車間等，挖掘出當(dāng)前看得見的產(chǎn)業(yè)價值，或許有一天，當(dāng)各行各業(yè)都被這項技術(shù)得到重塑，誰會說這個世界不是一個新的開始呢。
