近日，中國信息通信研究院對(duì)外發(fā)布了“2021大數(shù)據(jù)十大關(guān)鍵詞”，數(shù)字孿生榜上有名。
數(shù)字孿生，其設(shè)想是在2003年前后首次出現(xiàn)于Grieves教授在美國密歇根大學(xué)的產(chǎn)品全生命周期管理課程上，在2010年美國國家航空航天局的技術(shù)報(bào)告中正式使用了“數(shù)字孿生”一詞。
所謂數(shù)字孿生就是根據(jù)真實(shí)世界事物構(gòu)建虛擬孿生體的空間，并對(duì)現(xiàn)實(shí)物理空間進(jìn)行指導(dǎo)和優(yōu)化的過程。簡(jiǎn)言之，就是對(duì)照現(xiàn)實(shí)世界再造一個(gè)虛擬世界“雙胞胎”。
如今，數(shù)字孿生在短短數(shù)年之內(nèi)從一個(gè)技術(shù)概念演變成一種新轉(zhuǎn)型路徑、新變革的動(dòng)力，更是一躍成為全球科技的熱門。
有研究機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)表明，未來5年內(nèi)，數(shù)字孿生的市場(chǎng)年均復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到38%，市場(chǎng)規(guī)模也會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，從2019年的38億美元增長(zhǎng)至2025年的358億美元，由此可見，數(shù)字孿生在未來的發(fā)展中將起著很重要的作用。
目前的數(shù)字孿生已被廣泛地應(yīng)用在智慧城市建設(shè)、工業(yè)生產(chǎn)、大戶數(shù)醫(yī)療、航空航天在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域，并將在未來的發(fā)展中發(fā)揮更重要的作用。但與此同時(shí)，作為具有推動(dòng)時(shí)代變革的新技術(shù)，數(shù)字孿生也面臨著應(yīng)用深度不足、標(biāo)準(zhǔn)難以統(tǒng)一等在內(nèi)的現(xiàn)實(shí)問題。
迅猛發(fā)展背后原因幾何
近年來，數(shù)字孿生技術(shù)已被業(yè)界公認(rèn)為未來戰(zhàn)略性顛覆性先導(dǎo)性技術(shù)，其應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，正不斷引發(fā)管理方式、發(fā)展模式的持續(xù)創(chuàng)新。尤其是，“探索建設(shè)數(shù)字孿生城市”已寫入國家《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》，為數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用指明方向。政府和產(chǎn)業(yè)界對(duì)于數(shù)字孿生技術(shù)和應(yīng)用高度重視，創(chuàng)新發(fā)展勢(shì)頭迅猛，數(shù)字孿生城市目前已步入落地實(shí)施階段。
與此同時(shí)，數(shù)字孿生技術(shù)已成為研究和標(biāo)準(zhǔn)化工作的重點(diǎn)，包括阿里云、華為、AWS、微軟等各頭部企業(yè)也紛紛布局，發(fā)布數(shù)字孿生行業(yè)解決方案。
數(shù)字孿生發(fā)展火熱的背后又有哪些原因？對(duì)此，中國信息通信研究院云計(jì)算與大數(shù)據(jù)研究所所長(zhǎng)何寶宏在接受中國軟件網(wǎng)采訪時(shí)表示，數(shù)字孿生技術(shù)的迅猛發(fā)展主要有需求牽引和政策推動(dòng)兩方面的原因。
何寶宏進(jìn)一步表示，在應(yīng)用需求方面，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)為代表的數(shù)字化浪潮席卷全球，物理世界和與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字世界正形成兩大體系平行發(fā)展、相互作用。城市治理、工業(yè)管理等復(fù)雜場(chǎng)景需要引入數(shù)字孿生技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高效管理、精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。在政策推動(dòng)方面，英國、美國等國家將數(shù)字孿生上升為國家戰(zhàn)略，我國多部委在一年內(nèi)密集出臺(tái)政策文件，將數(shù)字孿生技術(shù)提到了與大數(shù)據(jù)、人工智能、5G等新技術(shù)并列高度。國內(nèi)外一系列政策的發(fā)布，助推數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。
冰鑒科技研究院高級(jí)研究員王詩強(qiáng)認(rèn)為，數(shù)字孿生技術(shù)快速發(fā)展是因?yàn)槠浔旧砭哂泻軓?qiáng)的工程化應(yīng)用價(jià)值和潛力。學(xué)術(shù)界（高校）、企業(yè)加快相關(guān)技術(shù)研究，也將帶動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)加速發(fā)展。
應(yīng)用廣泛的數(shù)字孿生
近年來，隨著與人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的深度融合，數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造、智能建造、智慧家居、智慧醫(yī)療、智慧城市和智慧交通等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。
數(shù)字孿生行業(yè)應(yīng)用匯總，摘自《數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書》
數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用中關(guān)注度最高的是智能制造領(lǐng)域。在制造企業(yè)研發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，可以借助產(chǎn)品數(shù)字孿生模型來優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；在工藝規(guī)劃階段，可以通過對(duì)其數(shù)字孿生模型進(jìn)行檢查，確定每個(gè)零件是否能夠制造出來，零部件在裝配時(shí)是否相互協(xié)調(diào)；在制造過程中，可以建立生產(chǎn)設(shè)備、產(chǎn)線、車間，乃至整個(gè)工廠的數(shù)字孿生模型，通過采集和分析制造數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高效排產(chǎn)，提高設(shè)備利用率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)量問題；在產(chǎn)品服役階段，可以通過安裝視覺、溫濕度、壓力、振動(dòng)、位移、速度等各類傳感器來監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀況，提升產(chǎn)品運(yùn)行績(jī)效，進(jìn)行故障預(yù)測(cè)和預(yù)測(cè)性維修維護(hù)。
在智慧城市建設(shè)過程中，通過數(shù)字孿生技術(shù)建立整個(gè)城市建筑和各種地下管網(wǎng)的數(shù)字孿生模型，可以更有效地對(duì)城市進(jìn)行管理，提高公共服務(wù)設(shè)施和道路規(guī)劃、排澇、防災(zāi)、垃圾處理及新能源開發(fā)利用的能力，改善居民生活質(zhì)量。
以騰訊為例，其利用城市級(jí)三維重建技術(shù)，構(gòu)建出深圳南山區(qū)科技園的數(shù)字孿生環(huán)境，可以精確還原真實(shí)世界中的樓宇、道路、實(shí)時(shí)交通等豐富信息，讓實(shí)時(shí)交通流大數(shù)據(jù)映射到虛擬環(huán)境中，生成整個(gè)城市的大規(guī)模仿真級(jí)車道。在此基礎(chǔ)上，就能夠構(gòu)建起實(shí)時(shí)的仿真交通流，用來進(jìn)行城市交通的模擬和推演，為區(qū)域交通管理調(diào)度和優(yōu)化提供支持，這也是未來交通調(diào)度管理科學(xué)決策方式的重要轉(zhuǎn)變。
在醫(yī)療保健領(lǐng)域，數(shù)字孿生能夠加快醫(yī)療數(shù)字化進(jìn)程，推動(dòng)智慧醫(yī)療時(shí)代的到來。研究人員可以基于現(xiàn)實(shí)人體在信息世界建立一個(gè)詳細(xì)的虛擬人體，作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行研究，從而檢驗(yàn)新的治療方案。數(shù)字孿生在醫(yī)療保健行業(yè)的發(fā)展前景光明，一方面可以開發(fā)新的方法來治療各種疑難疾病；另一方面可以改善現(xiàn)有的醫(yī)療服務(wù)與基礎(chǔ)設(shè)施，提供更好的病人護(hù)理服務(wù)。
此外，數(shù)字孿生技術(shù)還可以提升自動(dòng)駕駛測(cè)試的真實(shí)性。數(shù)字孿生世界可以在云端測(cè)試場(chǎng)中，根據(jù)真實(shí)道路數(shù)據(jù)生成實(shí)時(shí)的訓(xùn)練環(huán)境，讓自動(dòng)駕駛算法進(jìn)行安全的測(cè)試。比如在長(zhǎng)沙智能網(wǎng)聯(lián)測(cè)試區(qū)，騰訊運(yùn)用自動(dòng)駕駛模擬仿真技術(shù)，對(duì)測(cè)試區(qū)的地理全貌進(jìn)行數(shù)字化建模，實(shí)現(xiàn)在仿真環(huán)境下進(jìn)行安全、高效的智能汽車實(shí)驗(yàn)。
面臨的挑戰(zhàn)
盡管應(yīng)用前景廣闊且已經(jīng)開始大尺度、跨領(lǐng)域融合發(fā)展，但當(dāng)下我國數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展也存在諸多的現(xiàn)實(shí)隱憂。
何寶宏認(rèn)為，應(yīng)用深度不足、技術(shù)底座不牢、系統(tǒng)融合不暢是目前數(shù)字孿生技術(shù)在落地過程中面臨的三大挑戰(zhàn)。
具體來看，在應(yīng)用深度方面，由于各行業(yè)、各機(jī)構(gòu)、各行政主體的異構(gòu)大數(shù)據(jù)匯集和跨行業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用還處在初始階段，算法模型成熟度不高、尚待沉淀，應(yīng)用主要體現(xiàn)為靜態(tài)可視化與模擬仿真等，應(yīng)用價(jià)值還未充分釋放。
在技術(shù)底座方面，由于當(dāng)前數(shù)字孿生技術(shù)涉及的新型測(cè)繪、標(biāo)識(shí)感知、協(xié)同計(jì)算、全要素表達(dá)、模擬仿真等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)自身發(fā)展尚未完全成熟；海量數(shù)據(jù)加載技術(shù)、云邊計(jì)算協(xié)同技術(shù)、模擬仿真技術(shù)等成熟度不高；人工智能、邊緣計(jì)算對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)快速分析處理能力仍不足，這些都亟需進(jìn)一步提升。
在系統(tǒng)融合方面，由于物理世界的復(fù)雜性，各類實(shí)體和數(shù)據(jù)的整合、標(biāo)準(zhǔn)化仍處于探索階段。“在數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，各類存量信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)類型、規(guī)模、結(jié)構(gòu)等各不相同，傳輸協(xié)議類型差異較大，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的采集存在很大挑戰(zhàn)。”何寶宏進(jìn)一步解釋說，“而在數(shù)據(jù)融合環(huán)節(jié)，各類數(shù)據(jù)的格式不同、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，導(dǎo)致數(shù)據(jù)融合的效率低下。在模型構(gòu)建環(huán)節(jié)，領(lǐng)域知識(shí)的缺失，導(dǎo)致建模難、應(yīng)用深度不夠都是存在的問題。”
王詩強(qiáng)則從企業(yè)的角度提出了面臨的現(xiàn)實(shí)問題。他指出，“當(dāng)前的孿生技術(shù)并不成熟，也沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，更無法復(fù)制、模仿別人技術(shù)，這就需要企業(yè)不斷投入大量資金、人力等成本，才有可能研究透徹，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。尤其是當(dāng)前市場(chǎng)上有經(jīng)驗(yàn)的孿生技術(shù)人才不可多得，因此這對(duì)企業(yè)來說，一方面是專業(yè)人才的培養(yǎng)，另一方面是持續(xù)的資金投入，因此挑戰(zhàn)較大。”
此外，王詩強(qiáng)還表示，孿生技術(shù)商業(yè)化需要其他技術(shù)支持。以高速運(yùn)行中的汽車為例，要實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生，不僅要獲得汽車的歷史數(shù)據(jù)，也需要通過大量傳感器獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這對(duì)于數(shù)據(jù)的收集、整合，以及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)榷继岢隽颂魬?zhàn)，也是一項(xiàng)龐大且成本高昂的系統(tǒng)工程。
整體來看，數(shù)字孿生作為一種無縫連接信息物理并使之融合的實(shí)用技術(shù)出現(xiàn)，已經(jīng)在越來越多的領(lǐng)域發(fā)揮著重要的價(jià)值。但要想釋放數(shù)字孿生的價(jià)值，也需要亟待解決面臨的現(xiàn)實(shí)問題，積極構(gòu)建數(shù)字孿生的生態(tài)系統(tǒng)，協(xié)同產(chǎn)業(yè)鏈上下游的合作，達(dá)到數(shù)字孿生體與物理實(shí)體的“共生”，進(jìn)一步有效推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)的成功落地應(yīng)用。
