在漫威电影《钢铁侠》系列中，钢铁侠托尼·史塔克仅仅通过虚拟影像映射，就可以对身上的战衣进行设计或修理。这一幕承载了人类对于未来工业制造等行业的无尽想象。在现实中，人们对此类场景也有一个特定的概念，即数字孪生。自元宇宙概念兴起，数字孪生一词也开始越来越多地进入人们的视野。
那么，作为构建元宇宙的基础和关键技术之一，数字孪生到底是什么?
01
什么是数字孪生?
一切还要从元宇宙说起，它描绘了一个构建在网络上，脱胎于现实世界，又与现实世界相互平行、相互影响，并始终在线的虚拟世界。而想要构建这个概念中的“世界”，最重要的技术之一便是数字孪生。
数字孪生，英文名为Digital Twin(数字双胞胎)，也被称为数字映射、数字镜像。它的官方定义非常复杂，是这么说的：是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。
简单来说，数字孪生就是在一个设备或系统“物理实体”的基础上，创造一个数字版的“克隆体”，也被称为“数字孪生体”。它被创建在信息化平台上，是虚拟的。在这个“孪生体”中，任何事物都与真实世界完全同步，甚至可以提前感知未来可能出现的事件，实现合理规划和发展。举例来说，航空发动机制造商们，为有效检测发动机的运行状态，为其创建数字孪生平台。工程师首先会在电脑里创建发动机的精确虚拟副本，然后在真实世界中为发动机安装各种传感器以收集数据，这些传感器收集到的数据会实时传输给计算机中的数字孪生平台。这时只要在虚拟世界中运行发动机，就能模拟在真实世界中发动机的运行情况。同时，经过长时间的虚拟运行，工作人员就能收集发动机的运行状况与方式，从而了解其维护周期。
数字孪生的重要性不仅在于它可以复刻真实世界，更重要的是它可以与物理实体互动，甚至反向控制物理实体。物理实体和其孪生体之间的数据流动也可以是双向的，并不只是实体向孪生体输出数据，孪生体也可以向实体反馈信息。也就是说，数字孪生体是会“动“的。
此外，理解数字孪生还需要记住三个关键词，即“全生命周期“ ”实时/准实时“ ”双向“。全生命周期指的是数字孪生可以贯穿产品包括设计、开发、制造、服务、维护乃至报废回收的整个周期。它不仅可以帮助企业把产品更好地造出来，还能帮助用户更好地使用产品。而实时/准实时指的是本体和孪生体之间可建立的全面实时或准实时的联系。两者并不是完全独立的，映射关系也具备一定的实时性。双向则指的是本体和孪生体之间的数据流动可以是双向的。并不是只能本体向孪生体输出数据，孪生体也可以向本体反馈信息。企业可以根据孪生体反馈的信息，对本体采取进一步的行动和干预。
02
数字孪生的起源
在追溯数字孪生的起源时，业界多数认为“数字孪生”概念的发明者是美国密歇根州立大学教授迈克尔·格里弗斯(Michael Grieves)。他在2002年10月美国制造工程协会管理论坛上的一次演讲中，提及了类似数字孪生的相关概念。他还曾在2003年的一次高管培训上，提出了“物理产品的数字等同体和数字孪生体概念“。
2009年，美国空军相关实验室首次明确提到数字孪生的概念：“机身数字孪生(Airframe Digital Twin)”。2010年，美国国家航空航天局(NASA)在《建模、仿真、信息技术和处理》和《材料、结构、机械系统和制造》两份技术路线图中正式开始使用“数字孪生(Digital Twin)”这一名称。
其实，数字孪生技术最早可以追溯到20世纪70年代，NASA开始使用数字孪生技术对航天器进行建模和仿真，当时每个航行航天器都被精确地复制成地球版本，用于研究和模拟目的，由在飞行机组人员中服役人员使用。这个技术不仅可以帮助测试航天器的设计，还能够帮助减少生产成本和缩短开发周期。后来才拥有一个更为响亮的名号：数字孪生。
2004年，我国科研人员王飞跃发表名为《平行系统方法与复杂系统的管理和控制》的文章，文中提出了平行系统的概念，这也和数字孪生的概念非常接近。2015年前后，中国也开始跟进数字孪生技术。当时包括工业4.0研究院在内的多家国内研究机构和企业，纷纷启动了数字孪生相关的研究课题。总之，“数字孪生”概念的出现，为人类的未来提供了一条愈发清晰的探索之路。
03
数字孪生的应用场景
虽然元宇宙现在还言之尚早，但作为实现元宇宙重要的底层技术之一的数字孪生却早已经在多个场景(领域)得到应用。
工业领域
在数字孪生应用场景中，最为典型的应用就是在工业领域中。以制造业为例，数字孪生技术可以通过建立虚拟工厂、仿真生产过程等方式，为制造类企业提供重要的决策支持，通过收集大量的数字孪生的生产数据，分析生产过程中的瓶颈和问题，并为生产过程优化提供方案。
智慧城市领域
通过数字孪生技术，可将城市街区的物理环境与数字模型进行实时同步，以实现对城市管理的精确监测和合理决策。通过传感器设备获取街区各个角落的数据，将这些数据传输到数字模型中，再通过算法进行分析和预测，帮助城市管理者更好地了解和把控城市的运行状态。
交通领域
交通驾驶场景复杂，交通堵、停车难、行车乱等问题愈发频繁，而具备实时性、闭环型的数字孪生技术可以通过交通数据的采集和处理，对城市交通系统建模进行交通仿真，进而对城市交通运行状况进行模拟和优化，提出有效的交通管理策略，从而使城市交通更加高效、安全、稳定。
农业领域
农业是一个高度复杂和动态的领域，生产过程会受到天气、病虫害、季节和气候因素等相关条件的影响。数字孪生技术能够帮助农业从业人员实现对农场运营的实时监控，并及时评估生产策略，实时调整生产计划，从而达到高质量的生产力水平。
医疗领域
通过数字孪生技术建立虚拟人体模型，模拟人体的各种生理和病理情况，帮助医生制定更有效的治疗方案，并提供更准确的医疗预测和风险评估。此外，数字孪生技术还可用于医学教育和培训，让医学生通过虚拟实验和模拟操作来提高技能。
以数字孪生为代表的新技术，正加速推动经济社会发展方式和治理模式的变革重塑。今年2月，中国信息通信研究院发布的《数字孪生城市产业图谱研究报告(2022年)》显示，2020年到2030年是我国数字孪生产业增长期，当前数字孪生市场需求和技术均正处于高速发展阶段。未来，数字孪生技术也将继续引领着未来的科技发展。相信随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展，数字孪生产业将会为社会、经济和生活带来更加深刻的变革。
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