張卓雷

數(shù)字孿生技術(shù)在城市層面的廣泛應用，通過構(gòu)建城市物理世界及網(wǎng)絡(luò)虛擬空間一一對應、相互映射、協(xié)同交互的復雜系統(tǒng)，形成物理維度上的實體世界和信息維度上的虛擬世界同生共存、虛實交融的城市發(fā)展新格局

現(xiàn)代工程越來越復雜，系統(tǒng)組件越來越多，狀態(tài)特性隨著時間快速變化，存在著眾多的不確定因素。在這種情況下，繼續(xù)用傳統(tǒng)設(shè)計維護策略，即“安全余量設(shè)計+周期性維護”，會使結(jié)構(gòu)設(shè)計笨重、效率不高;復雜系統(tǒng)在高度不確定性環(huán)境下遭受意外損傷概率的增加，使得安全系數(shù)方法既不經(jīng)濟、又難以徹底、完全保證系統(tǒng)可靠性。而且，周期性維護在面臨復雜系統(tǒng)時，缺乏對系統(tǒng)當前狀態(tài)的準確預估，容易出現(xiàn)過于頻繁的檢測與維修，或未及時維護而引發(fā)系統(tǒng)提前失效的情況，導致維護成本高且可靠性不足。

由此，數(shù)字孿生概念的誕生，為解決上述問題提供了新的思路。

概念：認識數(shù)字孿生和數(shù)字孿生體

數(shù)字孿生是一個技術(shù)體系，旨在為物理系統(tǒng)創(chuàng)造一個表達其所有知識的集合體或數(shù)字模型（也稱為數(shù)字孿生體）。通過實時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，動態(tài)更新數(shù)字模型，能夠提升數(shù)字孿生體的診斷、評估與預測能力;同時在線優(yōu)化實際系統(tǒng)的操作、運行與維護，減少結(jié)構(gòu)設(shè)計冗余、避免頻繁的周期性檢修與維護并保證系統(tǒng)的安全性。

數(shù)字孿生最早的概念模型由PLM咨詢顧問Micheal Grieves博士于2002年10月在美國制造工程協(xié)會管理論壇上提出。Grieves博士在向工業(yè)界展示如何進行產(chǎn)品生命周期管理時提出的兩個系統(tǒng)，即真實系統(tǒng)和虛擬系統(tǒng)。虛擬系統(tǒng)接收從真實空間傳來的數(shù)據(jù)，鏡像（Mirroring）真實系統(tǒng)的狀態(tài);真實系統(tǒng)接收虛擬空間傳來的指導信息，并相應做出響應。這一理念中提及的真實空間、虛擬空間、從真實空間到虛擬空間的數(shù)據(jù)流和從虛擬空間到真實空間的信息流被認為是數(shù)字孿生的三個基本要素。

數(shù)字孿生體（Digital Twin）這一名稱最早出現(xiàn)在美國空軍實驗室2009年提出的“機身數(shù)字孿生體（Airframe Digital Twin）”概念中。2010年，NASA在《建模、仿真、信息技術(shù)和處理》和《材料、結(jié)構(gòu)、機械系統(tǒng)和制造》兩份技術(shù)路線圖中直接使用了“數(shù)字孿生體（Digital Twin）”這一名稱，認為數(shù)字孿生體是：“一個集成多物理場、多尺度的非確定性分析框架，能夠聯(lián)合高精度物理模型、傳感器測量數(shù)據(jù)、飛行歷史數(shù)據(jù)等，鏡像相應孿生飛行器的生命歷程”。這一愿景對NASA和美國空軍具有重要意義。因為兩者擁有大量的機隊需要周期性檢測和維護，不僅耗費巨大成本，而且面臨針對性不強、響應速度慢等問題。數(shù)字孿生利用模型指導決策的思想，正好能夠彌補這一能力短缺。通過真實數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字孿生體更新，響應實際飛行器結(jié)構(gòu)變化，并對實際飛行器的操作、運維進行優(yōu)化，從而降低維護成本、延長使用壽命。

回望人類歷史的歷次工業(yè)革命，選取工業(yè)化的視角，引入技術(shù)經(jīng)濟學中的“通用目的技術(shù)（GPT）”這一概念，來分析數(shù)字孿生體技術(shù)在即將到來的第四次工業(yè)革命中的地位和作用。目前普遍認為，蒸汽機、電和內(nèi)燃機、計算機分別是前三次工業(yè)革命的GPT。而數(shù)字孿生技術(shù)滿足GPT的充分必要條件，將成為第四次工業(yè)革命的GPT。

發(fā)展：數(shù)字孿生技術(shù)在城市層面的應用

2019年7月，Garter公司發(fā)布數(shù)字政府技術(shù)成熟度曲線，“政府的數(shù)字孿生體”出現(xiàn)在曲線的起點;同年9月，美國召開首次智慧城市和數(shù)字孿生體融合研討會。這些事件標志著數(shù)字孿生體技術(shù)開始進入深度開發(fā)和大規(guī)模擴展應用期。

中國以“智慧城市”和“新基建”為代表的建設(shè)模式雖然起步較晚，但爆發(fā)速度前所未有。目前全球近1000個提出智慧化發(fā)展的城市中，有近500個中國城市，占全球數(shù)量的48%。這為中國下一階段的城市和基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

數(shù)字孿生城市是數(shù)字孿生技術(shù)在城市層面的廣泛應用，通過構(gòu)建城市物理世界及網(wǎng)絡(luò)虛擬空間一一對應、相互映射、協(xié)同交互的復雜系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)空間再造一個與之匹配、對應的孿生城市，實現(xiàn)城市全要素數(shù)字化和虛擬化、城市狀態(tài)實時化和可視化、城市管理決策協(xié)同化和智能化，形成物理維度上的實體世界和信息維度上的虛擬世界同生共存、虛實交融的城市發(fā)展新格局。數(shù)字孿生城市既可以理解為實體城市在虛擬空間的映射狀態(tài)，也可以視為支撐新型智慧城市建設(shè)的復雜綜合技術(shù)體系，它支撐并推進城市規(guī)劃、建設(shè)、管理，確保城市安全、有序運行。

數(shù)字孿生城市主要有新型基礎(chǔ)設(shè)施、智能運行中樞、智慧應用體系三大橫向的分層。

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)字孿生城市精準映射虛實互動的核心;四是共性技術(shù)賦能與應用支撐平臺，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)服務能力，以及數(shù)字孿生城市特有的場景服務、數(shù)據(jù)服務、仿真服務等能力，為上層應用提供技術(shù)賦能與統(tǒng)一開發(fā)服務支撐;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。

應用服務層是面向政府、行業(yè)的業(yè)務支撐和智慧應用，基于數(shù)字孿生城市的應用服務包含城市大數(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)專題應用。

展望：數(shù)字孿生體將在未來世界無限復制

數(shù)字孿生由5G網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、XR（AR/VR/MR）、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、云計算、人工智能等計算機技術(shù)作為物理實體、虛擬實體、孿生數(shù)據(jù)的來源并提供連接和服務。這樣組成的數(shù)字孿生體相對于原物理實體，不僅是原物理實體的數(shù)字映射，而且因為有了數(shù)字預判和分析能力，已經(jīng)成為新的數(shù)字有機體，其未來發(fā)展方向不僅是對物理實體做出正向反饋，還因為有數(shù)據(jù)挖掘（Data Mining）和數(shù)據(jù)融合（Data Fusion）能力，使其從一個信息處理平臺躍遷為知識處理平臺。也就是說，數(shù)字有機體將作為生產(chǎn)知識的驅(qū)動，使自身擁有進化和復制的能力。

富有生命力的數(shù)字孿生體用封裝好的代碼作為其基因，將在未來的世界無限復制。著眼當下，誰能創(chuàng)造出優(yōu)秀基因的數(shù)字孿生體，將成為掌握未來的技術(shù)密碼，無論是發(fā)展五維模型中的哪一個維度，都是從實質(zhì)上推進數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展;而如果能將其有機結(jié)合起來，才是所有計算機新技術(shù)的征途大海。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （作者單位：杭州熾橙數(shù)字科技有限公司）

數(shù)字孿生城市既可以理解為實體城市在虛擬空間的映射狀態(tài)，也可以視為支撐新型智慧城市建設(shè)的復雜綜合技術(shù)體系，它支撐并推進城市規(guī)劃、建設(shè)、管理，確保城市安全、有序運行。

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數(shù)字孿生平臺案例：云嘯平臺·南站樞紐智慧系統(tǒng)

2020年7月1日正式開通的杭州火車南站，也有一套相同框架體系下建設(shè)的數(shù)字孿生兄弟：云嘯平臺·南站樞紐智慧系統(tǒng)。該系統(tǒng)的規(guī)劃目標是在一個可視化數(shù)字孿生系統(tǒng)中實時掌控南站運營狀況并對緊急事件作出預判和快速反應，具體達到一標三實三維呈現(xiàn)、客流班次統(tǒng)計、人員設(shè)備管理、警情多維分析、安全隱患跟蹤、信息報送流轉(zhuǎn)、重點人員管控、空間疊加分析、實時經(jīng)理態(tài)勢、可視指揮調(diào)度等功能。

三維可視化實時指揮功能：基于三維建模，通過渲染技術(shù)實現(xiàn)火車南站真實物理場景的三維數(shù)字化重現(xiàn)，同時搭載和融合警務數(shù)據(jù)、監(jiān)控數(shù)據(jù)和輔助實時物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)警力分布、警情處置在三維地圖上的可視化指揮。

即時信息調(diào)度指揮功能：包括當日值班、站內(nèi)流量監(jiān)控、當日班次。

警務、警情大數(shù)據(jù)管理、指揮功能：包含在線任務、隱患追蹤、戰(zhàn)果、備查量、辦案區(qū)、觸控報警功能模塊。

設(shè)備狀態(tài)管理功能：包括設(shè)備運行情況、監(jiān)控影像管理模塊。

云嘯平臺·南站樞紐智慧系統(tǒng)是杭州熾橙數(shù)字科技有限公司與杭州南站樞紐管理委員會，聯(lián)合開發(fā)的一套面向智慧政務管理的數(shù)字孿生系統(tǒng)，結(jié)合公安、交通、消防、醫(yī)療市政等多部門實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)管轄區(qū)域內(nèi)“人、車、地、事、建筑”的全面監(jiān)控，輔助公安部門綜合掌控大范圍城市治安態(tài)勢，形成統(tǒng)一高效、互聯(lián)互通、協(xié)同共享的智慧監(jiān)管體系。