深读新知丨用数字孪生 构建平行世界

工业界有一个著名的海因里希法则，工业安全工程师海因里希在他的《工业事故预防》一书里提出：在1件重大的安全事故背后，必有29件轻度的事故，还有300件潜在的隐患。如果在事故发生之前，抓住时机，及时消除不安全因素，就能够避免许多重大的伤亡事故。

那么，谁能在事故出现前解决隐患呢？答案可以是，数字孪生。

什么是数字孪生

数字孪生，英文名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：数字孪生，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的基础上，创造一个数字版的镜像。”河北省科学院应用数学所副所长王志强说，这个镜像，也被称为“数字孪生体”。它被创建在信息化平台上，是虚拟的。

也许有人会说，这不就是电脑上的设计图纸吗？

其实不然。相比于设计图纸，数字孪生体最大的特点在于：它是对实体对象（本体）的动态仿真。也就是说，数字孪生体是会“动”的，而且，数字孪生体不是随便乱“动”。它“动”的依据，来自本体的物理设计模型，还有本体上面传感器反馈的数据，以及本体运行的历史数据。

“说白了，本体的实时状态，还有外界环境条件，都会复现到‘孪生体’身上。”王志强说，如果需要做系统设计改动，或者想要知道系统在特殊外部条件下的反应，工程师们可以在孪生体上进行“实验”。这样一来，既避免了对本体的影响，也可以提高效率、节约成本。

除了“会动”之外，理解数字孪生还需要记住三个关键词：全生命周期、实时/准实时、双向。

数字孪生是源自工业界的概念。在工业制造领域，有一个词叫作“产品生命周期管理（PLM）”。全生命周期是指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。它并不仅限于帮助企业把产品更好地造出来，还包括帮助用户更好地使用产品。

而实时/准实时，是指本体和孪生体之间，可以建立全面的实时或准实时联系。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，是指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。

王志强介绍，数字孪生技术出现的目的之一就是为了防患于未然，在事故发生之前就解决掉事故隐患。

比如，航空发动机是飞机上的重要器件，它的稳定和正常运行，对于确保飞行安全极为重要。航空发动机制造商们，为了有效地检测发动机的运行状态，为其创建了数字孪生。工程师首先会在电脑里创建发动机的精确虚拟副本，然后，他们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。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的情况。经过长时间的虚拟运行，工作人员就能收集发动机的运行方式并了解其在什么时候需要维护。

数字孪生的价值

2015年左右，中国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。

从那之后，数字孪生这个概念，就开始风靡互联网和产业界，直至今日。

只是建了一个数字孪生体，它到底能给传统产业带来哪些好处？

“工业制造是数字孪生的主要战场。”王志强介绍，在产品研发过程中，数字孪生可以虚拟构建产品数字化模型，对其进行仿真测试和验证。生产制造时，可以模拟设备的运转，还有参数调整带来的变化，还能够有效提升产品的可靠性和可用性，降低产品研发和制造风险。维护阶段，通过对运行数据进行连续采集和智能分析，可以提供故障点和故障概率的参考。

数字孪生给工业制造带来了显而易见的效率提升和成本下降，使得几乎所有的工业巨头趋之若鹜。以美国通用公司为例，据公开报道，该公司已为每个引擎、每个涡轮、每台核磁共振创造了数字孪生体。通过这些拟真的数字化模型，工程师们可以在虚拟空间调试、实验，能够让机器的运行效果达到最佳。

除了工业制造之外，数字孪生和5G、智慧城市也有非常密切的关系。

众所周知，5G将开启“万物互联”的时代，它使得人类的连接技术到了前所未有的高度。未来，在5G的支持下，云和端之间可以建立更紧密的连接。这也就意味着，更多的数据将被采集在一起。

“这些数据，可以帮助构建更强大的数字孪生体。”王志强说，比如，一个数字孪生城市。

据介绍，在数字孪生城市中，基础设施（水、电、气、交通等）的运行状态，市政资源（警力、医疗、消防等）的调配情况，都会通过传感器、摄像头、数字化子系统采集出来，并通过包括5G在内的物联网技术传递到云端。城市管理者基于这些数据以及城市模型，构建数字孪生体，从而更高效地管理城市。

在虚拟世界，雄安的数字孪生城市已开始崭露锋芒。雄安的数字孪生城市不仅能显示建筑三维立体形象，而且它是“活”的，现实中每建设的一栋楼，在数字雄安CIM平台中，也能够同步生成一栋同样的数字大楼，现实中哪怕更换一个路灯，数字孪生城市里都能显示出来。

此外，农业也是数字孪生的一个重要应用领域。

“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、土壤墒情、季节性和气候因素等条件的影响。”王志强说，数字孪生可以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。

据介绍，河北省科学院设计开发了面向金银花品质保证的“数字孪生农业”系统。该系统结合多光谱遥感、物联网、5G等技术实现作物种植的实时远程管理，利用数字空间的可折叠性实现种植区域的集约化监管，利用区块链、可信计算等实现金银花全产业链的精准溯源和价值传递，利用高性能计算和人工智能技术实现全产业链智能化和最优决策。该系统的应用实现了金银花全生命周期质量保证和全产业链精细化管理，促进了金银花产业的长期、稳定和健康发展。

“总而言之，数字孪生是一项非常有潜力的前沿技术，会给企业带来丰厚的回报。”王志强说。

人类会拥有数字孪生吗

每个人都是独一无二的，不同于现代制造业流水线生产的产品，人类是极其复杂的。随着技术的发展，智慧医疗的概念被提出并受到了越来越多的关注。

最近几年，智能手表出现在了人们的手腕上，这些手表能够检测人的心率、血液中的氧气含量等基础信息。坐太久时，手表会提醒我们起来走动，运动的时候心跳太快手表也会发出预警。

现在借助机器学习，电脑能够通过人脸的图片判断我们的心情怎么样；在减肥过程中，拿手机拍照能知道食物有多少卡路里；智能手表会记录我们前一晚的睡眠数据。

“从某种意义上说，这算是人体数字孪生的最初级版本。”王志强说。

但是对于庞大且复杂的人体系统而言，仅采用上述的些许数据是不能实现对人体状况准确预测的。想要得到一个更加准确的数字孪生，需要收集大量的数据进行分析。其中包括人体所处环境的空气质量、光照条件、人体接种的疫苗、脑电图、心电图、摄入食物的种类数量等等。

有专家认为，创建一个能够和现实中的人同步成长的数字孪生，直到现在依然是不可能的任务。

尽管如此，人们对数字孪生在医疗健康领域的美好前景仍然满怀信心。2014年，名为“活心脏计划”的数字孪生开发项目启动，来自各行各业的专家以及医学从业者希望创建一个人类心脏的数字孪生。

几年后，这个项目交付了第一个参考模型，在这个模型中，医生能够复现任何心血管疾病并安全地测试治疗方案，一些医院的医生会利用它来为不同的患者规划个性化的心脏手术程序。

某些新出现的医疗手段，在现实中进行实验可能会造成巨大的损害，在数字孪生里则可以避免。

随着新冠肺炎席卷全球，研究人员启动了一项新的数字孪生计划——活肺计划，用来了解病毒对人体肺器官的长期影响。在虚拟的时空中，我们可以加速时间的流动速度，分析疾病的长期影响。

“曾经人们认为不可能建造一架完整客机的数字孪生，但是现在已经是飞机制造商的家常便饭。人体数字孪生的搭建工作，虽然在今天看来还存在许多独特的挑战，人们相信科学技术进步的速度会攻克这些难题。”王志强说。

另一个“你”，或许就在不远的未来。（河北日报记者王璐丹）

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