從虛擬現實到數字孿生

新冠疫情重創了全球經濟，也引發了時代變革，帶來了數字經濟的發展機遇。而數字經濟的主流方向和前沿陣地，正是以交互為核心的人工智能。

在工業制造、智慧城市、基建工程、軍事設施及其他重要領域，人工智能的研究和發展往往跟虛擬現實密切相關，其利用虛擬建模、3D仿真、模擬運行等手段，高效完成分析、生產、運行的各個環節。

虛擬現實通過多模態建模手段營造數字化世界，它具有三個明顯的特征——沉浸感、交互性和想象性。在虛擬現實的發展線中，無論是VR（虛擬現實）、AR（增強現實），還是XR（擴展現實）、MR（混合現實），都是為了構建一個虛擬的世界。而在現實生活中，最終可能是需要構建一個真實的世界。用數字手段來構建虛擬的真實世界，就是數字孿生。

數字孿生（Digital Twin）的思想最早源于美國密歇根大學教授Michael Grieves于2002年在PLM（產品全生命周期管理）課程中提出的“鏡像空間模型”概念：與物理產品等價的虛擬數字化表達。2009年，美國空軍研究實驗室（AFRL）提出“機身數字孿生體”，數字孿生自此成為專業名詞，并為美國國家航空航天局（NASA）采用。

從概念描述上看，數字孿生是以模型和數據為基礎，通過多學科耦合仿真等方法，完成現實世界中的物理實體到虛擬世界中的鏡像數字化模型的精準映射，并充分利用雙向交互反饋、迭代運行，以達到物理實體狀態在數字空間的同步呈現。簡單來說，數字孿生就是依照一個設備或系統，生成數字化的“克隆體”，因此也被稱為數字映射、數字鏡像。

數字孿生的思想邏輯，其實是來自于物理孿生。美國宇航局在阿波羅計劃中，建造了多艘相同的太空飛行器，作為孿生體用于訓練，以及模擬在地球模型上的備選方案，得到的飛行數據可以較為精確地反映飛行條件。在中國航天科技集團空間技術研究院的實驗室中，也有一臺與太空中運行的天和核心艙一模一樣的孿生裝備在運行，這是地面上1:1的物理在軌運營支持系統，主要作用就是接收在軌的遙測數據，設置成跟太空一樣的飛行狀態，來驗證整個飛行程序，對空間站的維護調整也可以在地面站上先模擬再進行。

數字孿生的實質則是建立現實世界中物理系統的虛擬數字鏡像，貫穿于物理系統的全生命周期，并隨著物理系統動態演化。數字孿生無疑會影響到第四次工業革命的發展，工業制造領域是數字孿生的主要戰場。數字孿生是仿真應用的發展和升級，依托IoT、大數據、VR、AI等技術，數字化克隆現實世界中的真實存在，模擬甚至預測現實存在的運行，指導和解決現實存在遇到的問題，給工業制造帶來了顯而易見的效率提升和成本下降。在智慧城市領域，BIM（建筑信息模型）利用數字化手段對建筑項目的實體與功能特性進行表達，配合GIS（地理信息系統）和IoT（物聯網）形成CIM（城市信息模型）應用平臺，也是城市數字孿生的一種方式。在醫療、軍事和自動駕駛等領域，也都有數字孿生施展的空間。

數字孿生以其巨大的科技優勢和廣闊的應用前景，成為與人工智能和機器學習并列的十大戰略性技術趨勢之一。信息化正推動著人類社會走向虛擬與現實相結合的數字孿生世界，共同邁向“數字孿生、智慧泛在”的美好前景。