數(shù)字孿生形成城市發(fā)展新形態(tài)

　　
數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬實體，借助歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)以及算法模型等，用于模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程的技術方法。數(shù)字孿生技術打通了物理世界與虛擬空間的通道，聯(lián)結現(xiàn)實世界與數(shù)字世界，在虛擬空間打造“全真世界”。

　　
數(shù)字孿生的設想首次出現(xiàn)在2002年前后。近年來，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息技術的發(fā)展，使數(shù)字孿生得到更加廣泛的傳播和應用。目前，數(shù)字孿生的應用已經(jīng)延伸到更廣闊的領域，在國內主要包括智慧城市、智慧交通、智慧能源、智慧建筑、智慧健康以及智能制造等多個應用領域。

　　
數(shù)字孿生技術之所以在這些領域應用廣泛，主要因為它具有幾大突出特點：實時性、互操作性、保真性、閉環(huán)性以及可拓展性。

　　
數(shù)字孿生應用將大大推動新型智慧城市的建設。在信息空間上構建的城市虛擬映像疊加在城市物理空間上，將極大地改變城市面貌，重塑城市基礎設施，形成虛實結合、孿生互動的城市發(fā)展新形態(tài)。

　　
在智慧城市中，數(shù)字孿生城市通過對物理世界的人、物、事件等所有要素數(shù)字化，在網(wǎng)絡空間再造一個與之對應的“虛擬世界”，形成物理維度上的實體世界和信息維度上的數(shù)字世界同生共存、虛實交融的格局，這突出了數(shù)字孿生的實時性以及保真性，將物理世界的動態(tài)，通過傳感器精準、實時地反饋到數(shù)字世界。數(shù)字化、網(wǎng)絡化實現(xiàn)由實入虛，網(wǎng)絡化、智能化實現(xiàn)由虛入實，通過虛實互動、持續(xù)迭代實現(xiàn)物理世界的最佳有序運行，這突出了數(shù)字孿生的互操作性、可拓展性以及閉環(huán)性。

　　
數(shù)字孿生技術廣泛應用面臨挑戰(zhàn)

　　
數(shù)字孿生的發(fā)展和實現(xiàn)是眾多技術共同發(fā)展的結果。從數(shù)據(jù)采集到功能實現(xiàn)主要分為4層，分別為數(shù)據(jù)采集傳輸層、建模層、功能實現(xiàn)層、人機交互層。每層之間是遞進關系，都將上一層的功能實現(xiàn)擴展和豐富。數(shù)字孿生關鍵技術體系涵蓋感知控制、數(shù)據(jù)集成、模型構建、模型互操作、業(yè)務集成、人機交互六大核心技術。

　　
目前，數(shù)字孿生還處在初級發(fā)展階段，但要步入廣泛應用階段，還將面臨數(shù)據(jù)、基礎知識庫、安全、多系統(tǒng)融合和人才等5方面挑戰(zhàn)。

　　
一是數(shù)據(jù)問題。數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的關鍵所在，現(xiàn)階段與數(shù)據(jù)有關的問題主要有：多維度、多尺度數(shù)據(jù)采集不一致；數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性不足；受多源數(shù)據(jù)獲取方式的影響，數(shù)據(jù)準確性難以保障；海量數(shù)據(jù)的存儲與處理能力欠缺；通信接口協(xié)議及相關數(shù)據(jù)標準不統(tǒng)一；數(shù)據(jù)的分享與開放機制不完善以及多源異構多模數(shù)據(jù)較難實現(xiàn)集成、融合和統(tǒng)一。

　　
二是基礎知識庫問題。在系統(tǒng)層級方面，存在著數(shù)字化、標準化、平臺化的缺失，主要體現(xiàn)在各層級的自身基礎知識庫匱乏，現(xiàn)有層級之間的基礎知識庫互聯(lián)互通障礙以及基礎知識庫的整體架構不完善；在生命周期方面，存在著結構化、傳承性、規(guī)劃性缺失的問題；在價值鏈方面，則存在著現(xiàn)有應用價值不足、兼容性差、盈利模式不明等問題。

　　
三是數(shù)據(jù)安全問題。主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸和存儲安全方面，數(shù)字孿生系統(tǒng)在應用過程中，會產生和存儲海量的生產管理數(shù)據(jù)、操作數(shù)據(jù)和系列外部數(shù)據(jù)等，可通過云端、生產終端和服務器等存儲方式進行存儲，任何一環(huán)都可能涉及數(shù)據(jù)泄密的風險。另外，系統(tǒng)控制安全也需要注意。由于虛擬控制系統(tǒng)可能存在各種未知安全漏洞，極易發(fā)生泄密問題。

　　
四是多系統(tǒng)融合問題。數(shù)字孿生是一個多維系統(tǒng)的融合，在數(shù)據(jù)、模型和交互各環(huán)節(jié)均涉及融合應用，而目前無論是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、模型構建還是交互協(xié)同的環(huán)節(jié)，與數(shù)字孿生構架均未深度結合。

　　
五是人才問題�，F(xiàn)階段數(shù)字孿生核心軟件技術仍由國外人才主導，國內市場缺少數(shù)字孿生標準化研究相關的專業(yè)人才。

　　
聚焦關鍵技術優(yōu)化數(shù)字孿生

　　
解決這些問題，不僅要從宏觀層面給予支持，更要針對關鍵技術的研究加大力量。主要可以從以下幾方面著手：以算法為核心，以數(shù)據(jù)和硬件為基礎，以大規(guī)模知識庫、模型庫、算法庫的構建與應用為導向，重點提升信息建模、信息同步、信息強化、信息分析、智能決策、信息安全等多種數(shù)字孿生關鍵技術。推出優(yōu)質培訓課程等方式加強數(shù)字孿生優(yōu)秀平臺或產品的展示與推廣。加強數(shù)字孿生產業(yè)開放與交流平臺建設，促進產學研協(xié)同創(chuàng)新，讓需求和技術得以落地。加強數(shù)字孿生與其他技術的創(chuàng)新融合，探索和研究更符合數(shù)字孿生相關業(yè)務的基礎理論、集成融合技術及方法。加強數(shù)字孿生相關人才培養(yǎng)，尤其要加強培養(yǎng)具備數(shù)字孿生與其他領域知識儲備的交叉復合型人才。

　　
盡管數(shù)字孿生及相關系統(tǒng)實現(xiàn)了快速發(fā)展，但從長遠來看，要釋放數(shù)字孿生的全部潛力，有賴于從底層向上層數(shù)據(jù)的有效貫通，并需要整合整個生態(tài)系統(tǒng)中的所有系統(tǒng)與數(shù)據(jù)。隨著新一代信息技術、先進制造技術、新材料技術等系列新興技術的共同發(fā)展，各項要素得以持續(xù)優(yōu)化，數(shù)字孿生的發(fā)展將一邊探索和嘗試，一邊優(yōu)化和完善。

　　
目前，數(shù)字孿生的行業(yè)應用層出不窮。隨著人工智能﹢三維數(shù)字化自動建模等技術的研發(fā)與應用，數(shù)字孿生的實現(xiàn)效率將大大提高，進而實現(xiàn)智慧城市可視化操作系統(tǒng)，并賦能產業(yè)互聯(lián)網(wǎng)由2D內容升級到3D，及至未來4D實景三維的提升，賦予人類視覺從2D到4D數(shù)字萬物的跨越。

　�。ㄗ髡邽閲H歐亞科學院院士，廣州大學地理科學與遙感學院教授、博士生導師）