什么是孿生，在你我眼中，那是清楚不過的一個詞：兩胞胎。
我國二孩政策放開，對普通百姓來說，既是一種鼓勵，也是一種壓力。單就生育而言，最好的辦法，也許就是孿生——十月懷胎、一胎兩個或者以上。
人類的想像力，總是腦洞大開，極其豐富。孿生一詞，居然被妥妥地運用到了日益紅火的數(shù)字世界。這個世界，按目前發(fā)展來看，幾乎已經(jīng)成為我們生活、工作、學(xué)習(xí)的另一個虛擬世界。這個世界，蘊藏著無限的、有待挖掘探索的、可改變物理世界運行方式的未知工具、手段和應(yīng)用模式。
數(shù)字孿生，因運而生。
什么是數(shù)字孿生？
2002年底，美國密歇根大學(xué)格里夫斯（Grieves）教授，在一次產(chǎn)品全生命周期管理課程上首次提出數(shù)字孿生（Digital Twin）的設(shè)想。這個設(shè)想，非常大膽，很有獨創(chuàng)性，可以說是許多技術(shù)的綜合體，是一種技術(shù)體系。數(shù)字孿生最鮮明的特點概括起來就是四個關(guān)鍵詞：鏡像投射，雙向，動態(tài)，全生命周期。
鏡像投射：數(shù)字孿生體會依據(jù)本體上面?zhèn)鞲衅鞣答伒臄?shù)據(jù)，以及本體運行的歷史數(shù)據(jù)，復(fù)現(xiàn)本體的實時狀態(tài)。
實時：本體和孿生體之間的映射關(guān)系是實時或準(zhǔn)實時的，兩者不是相互獨立的。
雙向：本體和孿生體之間的數(shù)據(jù)流動可以是雙向的，并不是只能本體向?qū)\生體輸出數(shù)據(jù)，孿生體也可以向本體反饋信息，對本體的行為進(jìn)行干預(yù)。
全生命周期：是指數(shù)字孿生可以貫穿對象包括從設(shè)計、產(chǎn)生到消亡的整個周期。
2010年，數(shù)字孿生（Digital Twin）一詞在美國國家航空航天局（NASA）的技術(shù)報告中首次被正式提出，并被定義為“集成了多物理量、多尺度、多概率的系統(tǒng)或飛行器仿真過程”。數(shù)字孿生，第一次被運用于飛行器的健康管理。后來，數(shù)字孿生還應(yīng)用于機(jī)身設(shè)計與維修、飛行器能力評估和故障預(yù)測等。
在其他非航空航天領(lǐng)域，數(shù)字孿生幾乎找不到場景應(yīng)用的切入口，關(guān)注度逐漸趨“冷”。
近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字孿生引起行業(yè)人士的廣泛關(guān)注，數(shù)字孿生應(yīng)用實施推廣成為可能。目前，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)，潛力很大。
2020年，中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院發(fā)布《數(shù)字孿生白皮書》報告，專門對數(shù)字孿生作了定義，統(tǒng)一了認(rèn)識：數(shù)字孿生是具有數(shù)據(jù)連接的特定物理實體或過程的數(shù)字化表達(dá)，該數(shù)據(jù)連接可以保證物理狀態(tài)和虛擬狀態(tài)之間的同速率收斂，并提供物理實體或流程過程的整個生命周期的集成視圖，有助于優(yōu)化整體性能。
與上述官方定義相比，學(xué)術(shù)界定義更偏重于技術(shù)。
數(shù)字孿生：是指充分利用物理模型和物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集的全生命周期的運行歷史等數(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)的實體對象的全生命周期過程。通過物理空間與虛擬空間的虛實交融、智能操控，記錄仿真、預(yù)測對象全生命周期的運行軌跡，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)信息資源、物質(zhì)資源配置最優(yōu)化。
從實體對象來看，數(shù)字孿生（Digital Twin）有三層含義。
第一層：基于文字上的理解，Twin則是指雙胞胎中的一個，是指對象的數(shù)字副本模型。對象可以是有生命的人或者無生命的物、地、事、組織等任何指代。模型是和對象實時同步，可反映真相的數(shù)據(jù)，可以是結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，也可以是可視化的圖形，這是第一層含義。例如：電子地圖，就是采用可視化的圖形模型對城市交通、城市建筑位置的數(shù)字孿生，真實反映道路交通變化情況。
第二層：雖然模型非常重要，但模型之上還有仿真。仿真就是基于這個模型的各種回溯、推演過程，經(jīng)過動態(tài)仿真后可以將模型進(jìn)行修正同，打磨得更完善。因此，模型+仿真+修正，就是數(shù)字孿生第二層含義。例如：在修建高速公路、橋梁、機(jī)場等基礎(chǔ)設(shè)施前，完成對工程的數(shù)字化建模，在虛擬的數(shù)字空間對工程進(jìn)行仿真和模擬，評估工程的結(jié)構(gòu)和承受能力，優(yōu)化設(shè)計。在工程交付之后，在維護(hù)階段評估工程是否可承擔(dān)特殊壓力，以及預(yù)測可能出現(xiàn)的事故隱患。
第三層：對象與模型、仿真和修正等數(shù)字孿生的手段、工具疊加融合在一起，形成一個整體、一套體系，這是數(shù)字孿生的第三層含義，也是目前數(shù)字孿生的最高等級。例如：基于城市模型（CIM），通過傳感器、攝像頭等數(shù)字化系統(tǒng)采集交通的實時運行狀態(tài)，經(jīng)過數(shù)據(jù)仿真、模擬計算，直接調(diào)整控制對象，實現(xiàn)對紅綠燈實時控制，高效、智能地進(jìn)行指揮調(diào)度。
數(shù)字孿生，最主要的是因需而變、因地制宜，不求大而全，孿“生”得好，更要“長”得好。
為什么要推進(jìn)數(shù)字孿生？
新技術(shù)總是伴隨著新機(jī)遇、新挑戰(zhàn)。數(shù)字孿生，對推進(jìn)城市治理體系和治理能力現(xiàn)代化，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，具有巨大的推動作用。
習(xí)近平總書記在十九大報告中指出：以信息化推進(jìn)國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化，分級分類推進(jìn)新型智慧城市建設(shè)，打通信息壁壘，構(gòu)建全國信息資源共享體系，更好地用信息化手段感知社會態(tài)勢、暢通溝通渠道、輔助科學(xué)決策。
2020年3月，習(xí)近平總書記在杭州城市大腦運營指揮中心調(diào)研時強調(diào)：讓城市更聰明一些、更智慧一些，是推動城市治理體系和治理能力現(xiàn)代化的必由之路，前景廣闊。
2020年4月，國家發(fā)展改革委、中央網(wǎng)信辦印發(fā)《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”在《方案》中被提及多次，和云計算、人工智能、5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)一樣，被行內(nèi)專業(yè)人士擺在了應(yīng)用研究的首要位置。
2020年10月，十九屆五中全會提出，加快數(shù)字化發(fā)展，推動數(shù)字經(jīng)濟(jì)和實體經(jīng)濟(jì)深度融合，提升公共服務(wù)、社會治理等數(shù)字化智能化水平。
《關(guān)于國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要的決議》提出“完善城市信息模型平臺和運行管理服務(wù)平臺，構(gòu)建城市數(shù)據(jù)資源體系，推進(jìn)城市數(shù)據(jù)大腦建設(shè)。探索建設(shè)數(shù)字孿生城市”。
就數(shù)字孿生對象的“體積”而言，已經(jīng)從BIM拓展到了CIM，從一棟建筑物擴(kuò)大到了一座城市?？萍歼M(jìn)步，激發(fā)了人類新的創(chuàng)造力和想象力。
什么數(shù)字孿生城市？按學(xué)術(shù)界定義，數(shù)字孿生城市是指通過構(gòu)建城市物理世界、網(wǎng)絡(luò)虛擬空間的一一對應(yīng)、相互映射、協(xié)同交互的復(fù)雜巨系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)空間再造一個與之匹配、對應(yīng)的“孿生城市”，實現(xiàn)城市全要素數(shù)字化和虛擬化、城市全狀態(tài)實時化和可視化、城市管理決策協(xié)同化和智能化，形成實體世界和虛擬世界同生共存、虛實交融的城市發(fā)展格局。
數(shù)字孿生城市，是新一代信息技術(shù)在城市的綜合集成應(yīng)用，也是一個城市級的創(chuàng)新平臺，具有打破領(lǐng)域壁壘，打通層級邊界、融合多源數(shù)據(jù)、創(chuàng)新場景應(yīng)用等特性，對夯實城市治理的數(shù)字底座，賦能城市治理體系和治理能力現(xiàn)代化，提升城市治理水平，意義深遠(yuǎn)。
當(dāng)前，在推進(jìn)城市治理過程中，存在很多難點、痛點和堵點——
比如，城市中存在著大量隱蔽的、錯綜復(fù)雜的交通隧道、供排水管道、供電線路、燃?xì)夤艿赖鹊叵鹿芾龋?ldquo;看不見”的城市地下空間治理問題很多；對易燃易爆物品、?；返壬a(chǎn)、運輸、存儲、使用等全過程，進(jìn)行全方位、系統(tǒng)性的實時感知、預(yù)判分析、動態(tài)預(yù)警和提前處置；一個城市有數(shù)萬個路口、上百萬車輛，再加上天氣變化、突發(fā)事件等動態(tài)因素，以及車流、人流、信息流的復(fù)雜性給城市交通治理帶來的巨大挑戰(zhàn)。
還有，當(dāng)前城市建設(shè)缺乏系統(tǒng)規(guī)劃和超前意識，對城市的人、地、物等要素缺乏整體性考慮，導(dǎo)致建設(shè)成效達(dá)不到預(yù)期，甚至“建了拆、拆了建”。
傳統(tǒng)技術(shù)、單項技術(shù)已很難有效解決困擾城市管理者的問題，唯有數(shù)字孿生。
怎么樣推進(jìn)數(shù)字孿生建設(shè)？
當(dāng)前，把構(gòu)建數(shù)字孿生體系作為城市建設(shè)的重要抓手，讓城市數(shù)字“孿生體”真正發(fā)揮支撐城市運行生命體征感知、公共資源配置優(yōu)化、重大事件預(yù)測預(yù)警、宏觀決策指揮的核心作用，是推進(jìn)數(shù)字孿生建設(shè)的主要方向。
從國際上來看，英國、美國、德國等國對數(shù)字孿生城市非常重視，將推進(jìn)數(shù)字孿生建設(shè)上升為國家戰(zhàn)略。2020年4月，英國出臺《國家數(shù)字孿生體原則》，明確構(gòu)建國家級數(shù)字孿生體的價值、標(biāo)準(zhǔn)、原則、時間表和路線圖。2020年5月，美國組織成立跨多個行業(yè)的數(shù)字孿生成員聯(lián)盟，通過聯(lián)盟加強交流合作、協(xié)同開發(fā)場景應(yīng)用。同時，將數(shù)字孿生作為建設(shè)實施工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵，并發(fā)布《工業(yè)應(yīng)用中的數(shù)字孿生：定義，行業(yè)價值、設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用案例》報告。德國“工業(yè)4.0”將數(shù)字孿生作為其重要內(nèi)容。
法國、新加坡大力開展數(shù)字孿生建設(shè)，法國大規(guī)模推進(jìn)數(shù)字孿生建設(shè)，積極打造數(shù)字孿生城市樣板，通過數(shù)字孿生模型仿真“重生”巴黎圣母院。新加坡全面構(gòu)建數(shù)字孿生城市，建設(shè)的“虛擬新加坡”是一個動態(tài)的三維（3D）城市模型和協(xié)作數(shù)據(jù)平臺，包括新加坡的3D地圖，成為供政府/企業(yè)/私人/研究部門使用的權(quán)威3D數(shù)字平臺。“虛擬新加坡”覆蓋范圍718平方公里、500-660萬人口、16萬幢建筑物、5500公里街道。它將使來自不同領(lǐng)域的用戶能夠開發(fā)復(fù)雜的工具和應(yīng)用程序，用于概念測試與服務(wù)，規(guī)劃和決策以及技術(shù)研究，解決新加坡未來面臨城市治理的復(fù)雜挑戰(zhàn)。
從國內(nèi)來看，《國務(wù)院關(guān)于河北雄安新區(qū)總體規(guī)劃（2018—2035年）的批復(fù)》對雄安城市建設(shè)提出了新要求：“創(chuàng)建數(shù)字智能之城。要堅持?jǐn)?shù)字城市與現(xiàn)實城市同步規(guī)劃、同步建設(shè)”。目前，作為全球首個數(shù)字孿生城市，雄安數(shù)字孿生城市建設(shè)引人矚目，雄安新區(qū)統(tǒng)籌建設(shè)城市數(shù)據(jù)底座——塊數(shù)據(jù)平臺，讓數(shù)據(jù)“從一出生就長在一起”，實現(xiàn)“數(shù)字城市”與“物理城市”同頻共振，一座虛實互動、孿生共長的雄安數(shù)字孿生城市已初見成效。
上海提出“一屏觀天下、一網(wǎng)管全城”目標(biāo)，啟動城市運行“一網(wǎng)統(tǒng)管”建設(shè)，建強三級平臺、五級應(yīng)用，提升超大城市治理現(xiàn)代化水平。不久前，上海城市運行數(shù)字體征系統(tǒng)上線，依托遍布全城的泛感知設(shè)備和千萬級的城市治理“神經(jīng)元”，初步形成“物聯(lián)成網(wǎng)”、“數(shù)聯(lián)共享”、“智聯(lián)融通”的城市神經(jīng)元感知體系，打造深基坑安全監(jiān)管、玻璃幕墻安全監(jiān)管、違法建筑治理等多個城市治理場景，全面賦能城市治理現(xiàn)代化。
《浙江省國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》強調(diào)：實施“城市大腦”建設(shè)提升工程，完善城市數(shù)字管理平臺和感知系統(tǒng)，加快推動公共服務(wù)、智慧城管等平臺與“城市大腦”對接，打造全國城市數(shù)字治理試驗區(qū)。
2021年6月24日，浙江省數(shù)字化改革工作推進(jìn)會提出：探索數(shù)字孿生機(jī)制，推進(jìn)城市大腦建設(shè)。以數(shù)字孿生的理念和方法，夯實城市大腦的數(shù)據(jù)底座，提升城市治理水平，推動實現(xiàn)城市治理體系和治理能力現(xiàn)代化?；谝惑w化智能化公共數(shù)據(jù)平臺，將城市大腦里的應(yīng)用、組件、數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化整合和質(zhì)量提升，通過數(shù)字孿生，賦能城市整體智治、高效協(xié)同。
南京市江北新區(qū)以數(shù)字孿生模型為底座，構(gòu)建城市“孿生體”，建立規(guī)劃、建設(shè)和管理全過程可視化、可模擬、可分析能力，為土地規(guī)劃、工程建設(shè)、城市管理等應(yīng)用場景提供數(shù)字化、智能化支撐，實現(xiàn)城市規(guī)則自修正、建設(shè)全可控、治理精準(zhǔn)化。
另外，還有北京朝陽區(qū)消防救援支隊基于數(shù)字孿生，圍繞管理轄區(qū)內(nèi)建筑場景，對各類消防預(yù)案進(jìn)行應(yīng)急演練，通過仿真推演，做到防患于未燃。云南撫仙湖構(gòu)建數(shù)字孿生湖，利用接入的水務(wù)感知數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)預(yù)測污水泄漏點、地下暗河流入等狀態(tài)，實現(xiàn)管理可視、監(jiān)測可控、目標(biāo)可達(dá)。
數(shù)字孿生，大家各有各的腦洞，各有各的手段，各有各謀劃設(shè)計的應(yīng)用場景。但是，推進(jìn)數(shù)字孿生和城市建設(shè)，必須堅持整體觀、系統(tǒng)觀和問題導(dǎo)向，而一個統(tǒng)一的城市治理數(shù)據(jù)底座是不可或缺的前提和基礎(chǔ)，沒有堅實的數(shù)據(jù)底座，任何的數(shù)字孿生，都可能是個虛無漂渺的幻想而已。
在物理城市和數(shù)字城市建設(shè)中，只有不斷迸發(fā)出新的萬千生機(jī)和活力，才能建立起一個超越時空、螺旋式向上的數(shù)字中國。
數(shù)字孿生，前世不長，今生燦爛，未來可能更輝煌。相信，數(shù)字孿生，一定可以讓我們生活的城市更聰明、更智慧、也更安全，這才是數(shù)字孿生的初衷。（參考2020《數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書》和2020年《數(shù)字孿生城市白皮書》等相關(guān)資料）
