數(shù)字孿生能做什么？和元宇宙有啥區(qū)別？這幾個(gè)問(wèn)題幫你徹底搞懂?dāng)?shù)字孿生

就在元宇宙爆紅之前，有一項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)慢慢滲透到各行各業(yè)之中，它可以逼真、實(shí)時(shí)地還原現(xiàn)實(shí)世界，這就是今天的主角——數(shù)字孿生。

究竟什么是數(shù)字孿生？它能用來(lái)做什么？和元宇宙、仿真又有什么區(qū)別？今天《騰行智庫(kù)》通過(guò)下面這些問(wèn)題，來(lái)幫你徹底搞懂?dāng)?shù)字孿生。

1、什么是數(shù)字孿生？

早期類(lèi)似數(shù)字孿生的東西，可能很多人都見(jiàn)過(guò)，比如軍事沙盤(pán)，沙盤(pán)上呈現(xiàn)出敵我雙方的力量態(tài)勢(shì)、交戰(zhàn)地點(diǎn)的山川河流，軍事家根據(jù)沙盤(pán)來(lái)布局行軍打仗，推演勝負(fù)關(guān)系；再比如售樓處的小區(qū)沙盤(pán)，囊括了樓宇、街道等信息，購(gòu)房者以此來(lái)決策，是否購(gòu)買(mǎi)房子。

現(xiàn)在我們提到的數(shù)字孿生，官方定義非常復(fù)雜：充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)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(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。

上面這段話會(huì)有些晦澀，換一句通俗的解釋：孿生，大家首先想到的就是“雙胞胎”，我們可以把數(shù)字孿生認(rèn)為是數(shù)字與現(xiàn)實(shí)組成的一對(duì)雙胞胎，在虛擬環(huán)境中構(gòu)建復(fù)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景，來(lái)模擬生活生產(chǎn)中的運(yùn)營(yíng)邏輯。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，數(shù)字孿生就是在一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造一個(gè)數(shù)字版的“克隆體”。

舉一個(gè)例子，比如最近發(fā)生的湯加火山爆發(fā)，騰訊智慧交通團(tuán)隊(duì)借助數(shù)字孿生，使用開(kāi)源的衛(wèi)星高程數(shù)據(jù)和深海測(cè)量數(shù)據(jù)，并結(jié)合谷歌地球衛(wèi)星影像，進(jìn)行三維空間重建，真實(shí)還原了火山爆發(fā)前的三維地理場(chǎng)景，這個(gè)創(chuàng)建出來(lái)的地理場(chǎng)景就可以理解為當(dāng)時(shí)那片海域的數(shù)字孿生。

數(shù)字孿生有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

首先是高保真，數(shù)字孿生的保真性指描述數(shù)字虛體模型和物理實(shí)體的接近性。

其次是全生命周期，指數(shù)字孿生可以貫穿產(chǎn)品包括設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、制造、服務(wù)、維護(hù)乃至報(bào)廢回收的整個(gè)周期。

第三是實(shí)時(shí)/準(zhǔn)實(shí)時(shí)，數(shù)字孿生技術(shù)要求數(shù)字化，即以一種計(jì)算機(jī)可識(shí)別和處理的方式管理數(shù)據(jù)以對(duì)隨時(shí)間軸變化的物理實(shí)體進(jìn)行表征。

最后是雙向，數(shù)字孿生中的物理對(duì)象和數(shù)字空間能夠雙向映射、動(dòng)態(tài)交互和實(shí)時(shí)連接。

2、數(shù)字孿生背后的核心技術(shù)是什么？

數(shù)字孿生主要由以下6大部分組成：傳感器、數(shù)據(jù)、集成、分析、模型、控制器。

傳感器：負(fù)責(zé)搜集數(shù)據(jù)、傳遞信號(hào)；

數(shù)據(jù)：由傳感器提供的實(shí)際運(yùn)營(yíng)和環(huán)境數(shù)據(jù)和企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)，合并形成數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)來(lái)源；

集成：傳感器通過(guò)集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)物理世界和數(shù)字世界之間的數(shù)據(jù)傳輸；

分析：利用分析技術(shù)開(kāi)展算法模擬和可視化程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；

模型：基于上述數(shù)據(jù)與信息，建立物理實(shí)體和流程的數(shù)字化模型，通過(guò)模型計(jì)算物理和生產(chǎn)流程是否出現(xiàn)錯(cuò)誤偏差，從而得出解決錯(cuò)誤偏差的方式和行動(dòng)；

控制器：基于模型計(jì)算的結(jié)果，通過(guò)控制器開(kāi)展行動(dòng)，調(diào)整和糾正錯(cuò)誤。

所以，數(shù)字孿生從技術(shù)體系上可以概括為：感知控制、數(shù)據(jù)集成、模型構(gòu)建、模型互操作、業(yè)務(wù)集成、人機(jī)交互等六大核心技術(shù)。

數(shù)字模型、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)始終占據(jù)著核心的位置。如何將物理世界與虛擬世界關(guān)聯(lián)起來(lái)，其關(guān)鍵是對(duì)物理世界建模，通過(guò)模型將物理世界數(shù)字化，再通過(guò)模型將物理世界映射到虛擬世界中，以構(gòu)建物理世界與虛擬世界的橋梁。

3、數(shù)字孿生能應(yīng)用到哪些領(lǐng)域？解決了哪些痛點(diǎn)？

近年來(lái)，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用日漸廣泛，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。

在智慧城市領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為支撐智慧城市的重要技術(shù)手段。通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，可以將樓宇、街道、網(wǎng)線管道、交通工具、行人、綠地、公園、河流等城市構(gòu)成的全部要素，全部展現(xiàn)出來(lái)，讓萬(wàn)物皆可看見(jiàn)、可管理、可控制、可分析、可預(yù)測(cè)，讓城市動(dòng)態(tài)一切盡在掌握之中，更精準(zhǔn)地輔助城市管理者進(jìn)行決策 ，推動(dòng)城市向智能化、智慧化發(fā)展。

在智慧交通領(lǐng)域，數(shù)字孿生通過(guò)對(duì)交通場(chǎng)景的復(fù)現(xiàn)，讓擁堵的城市交通流更順暢，讓人們的出行更健康綠色。交通場(chǎng)景中的數(shù)字孿生將會(huì)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、同步交通運(yùn)行可視，并為交通模型推演提供試驗(yàn)空間，完成數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)決策。基于真實(shí)數(shù)據(jù)和模型的數(shù)字孿生技術(shù)，不僅能提升智能駕駛的安全穩(wěn)定性，也能幫助交通管理者等提供實(shí)時(shí)、科學(xué)的道路決策。

在工業(yè)生產(chǎn)中，質(zhì)量漏洞等問(wèn)題一直是企業(yè)無(wú)法提前避免的，當(dāng)問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)往往會(huì)造成一定的損失。運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)在生產(chǎn)環(huán)節(jié)能夠控制質(zhì)量漏洞、提升產(chǎn)品整體質(zhì)量，在服務(wù)環(huán)節(jié)了解產(chǎn)品狀態(tài)、提高服務(wù)效率等。

在汽車(chē)制造領(lǐng)域，數(shù)字孿生不僅有助于解決汽車(chē)零部件的研發(fā)問(wèn)題，而且在產(chǎn)品制造及企業(yè)管理方面有很大的幫助。

在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，系統(tǒng)測(cè)試是上路形式的攔路虎。數(shù)字孿生幫助車(chē)輛完成自主性能的測(cè)試，為車(chē)企節(jié)約了大量測(cè)試成本。騰訊借助數(shù)字孿生技術(shù)，打造了新一代自動(dòng)駕駛虛擬仿真平臺(tái)TAD Sim，通過(guò)自進(jìn)化式場(chǎng)景重建技術(shù)，自動(dòng)生成符合物體規(guī)律、具有真值數(shù)據(jù)，構(gòu)建了虛擬的三維世界，并通過(guò)內(nèi)置的高精度地圖，提升場(chǎng)景重建中深度學(xué)習(xí)模型的性能，同時(shí)能夠以較低的美術(shù)組件成本擴(kuò)充海量帶有新標(biāo)簽的數(shù)據(jù)，從而具備自動(dòng)重建豐富場(chǎng)景的能力。

騰訊應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，通過(guò)使用真實(shí)數(shù)據(jù)不斷訓(xùn)練模型來(lái)進(jìn)行模型迭代，可以提供智能分析、仿真模擬預(yù)測(cè)等應(yīng)用服務(wù)，以解決智慧交通發(fā)展中的效率和安全等痛點(diǎn)問(wèn)題。

4、數(shù)字孿生和元宇宙有哪些區(qū)別？

元宇宙和數(shù)字孿生都屬于用數(shù)字技術(shù)構(gòu)建虛擬空間，但兩者存在一定差距。元宇宙既可以基于現(xiàn)實(shí)世界場(chǎng)景復(fù)現(xiàn)，也可以通過(guò)藝術(shù)化的手段創(chuàng)造虛擬世界；而數(shù)字孿生則是一種還原物理世界的重要手段，將物理世界與數(shù)字空間形成鏡像，它的主要價(jià)值是實(shí)現(xiàn)物與物、人與物之間的數(shù)據(jù)機(jī)制，進(jìn)一步模擬情境和決策，以改進(jìn)現(xiàn)實(shí)或更好適應(yīng)現(xiàn)實(shí)，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制或自主決策控制。

構(gòu)成元宇宙的七層要素

元宇宙擁有完整的經(jīng)濟(jì)邏輯，數(shù)據(jù)、物體、內(nèi)容以及IP都可以在元宇宙中存在，而且元宇宙不僅包含虛擬和現(xiàn)實(shí)的萬(wàn)事萬(wàn)物，還包含他們之間的各種關(guān)系和連接。元宇宙的核心在于永續(xù)性、實(shí)時(shí)性、多終端、經(jīng)濟(jì)功能、可連接性和可創(chuàng)造性，而數(shù)字孿生、混合現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)、5G等是建設(shè)元宇宙的手段和工具。

5、數(shù)字孿生與仿真的區(qū)別是什么？

數(shù)字孿生并不局限于單純的數(shù)值仿真或者機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)的數(shù)值仿真方法，數(shù)字孿生可以應(yīng)用物理實(shí)體反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行自我學(xué)習(xí)和完善；另一方面，相對(duì)于機(jī)器學(xué)習(xí)，數(shù)字孿生可以通過(guò)對(duì)物理過(guò)程的仿真和領(lǐng)域知識(shí)提供更加準(zhǔn)確的理解與預(yù)測(cè)。

不同天氣下的數(shù)字孿生效果 | 騰訊智慧交通

6、用于開(kāi)發(fā)數(shù)字孿生的關(guān)鍵工具、軟件有哪些？

開(kāi)發(fā)工具主要包含：數(shù)字線程工具、建模工具、孿生工具。數(shù)字線程是一個(gè)通信框架，它連接了制造過(guò)程中傳統(tǒng)的豎井元素，并在整個(gè)制造生命周期中提供了資產(chǎn)的集成視圖。建模工具包含產(chǎn)品研發(fā)類(lèi)工具、事件仿真類(lèi)工具，數(shù)據(jù)應(yīng)用類(lèi)軟件等，孿生工具主要包含制造商、服務(wù)企業(yè)、數(shù)據(jù)分析公司等，由專業(yè)領(lǐng)域的企業(yè)來(lái)構(gòu)建數(shù)字孿生模型。

7、使用數(shù)字孿生技術(shù)，會(huì)有哪些風(fēng)險(xiǎn)？

數(shù)字孿生系統(tǒng)是建立在物聯(lián)網(wǎng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)之上，其與現(xiàn)實(shí)世界存在密切的交互行為。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信息攻擊通常只停留在信息和數(shù)據(jù)層面，而針對(duì)數(shù)據(jù)孿生系統(tǒng)的攻擊會(huì)威脅到物理世界中的人身安全、設(shè)備安全和業(yè)務(wù)安全。因此，數(shù)字孿生的開(kāi)源軟件供應(yīng)鏈體系在開(kāi)發(fā)、集成、交付和使用環(huán)節(jié)面臨著數(shù)據(jù)風(fēng)險(xiǎn)和業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，攻擊開(kāi)發(fā)環(huán)境、攻擊開(kāi)發(fā)工具、攻擊鏡像倉(cāng)庫(kù)、攻擊軟件運(yùn)行環(huán)境等風(fēng)險(xiǎn)。

數(shù)字孿生從概念培育逐步走向建設(shè)實(shí)施，各項(xiàng)支撐技術(shù)日漸成熟，但仍面臨著供應(yīng)鏈安全性不足、數(shù)據(jù)支撐不足、應(yīng)用深度不足、產(chǎn)業(yè)聯(lián)動(dòng)不足和標(biāo)準(zhǔn)支撐不足等問(wèn)題與挑戰(zhàn)。在工業(yè)數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用方面，模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)集成、業(yè)務(wù)集成、軟件開(kāi)發(fā)等方面的短板，數(shù)字孿生的實(shí)際應(yīng)用還處于初期階段。

8、數(shù)字孿生適用準(zhǔn)則是什么？現(xiàn)在是否有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)？

數(shù)字孿生當(dāng)前已經(jīng)吸引了多個(gè)國(guó)際組織（如ISO/IEC/ITU-T/IEEE等）的多個(gè)聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)、技術(shù)委員會(huì)和分委會(huì)的關(guān)注，從各自領(lǐng)域、各個(gè)層面出發(fā)，成立了多個(gè)數(shù)字孿生相關(guān)的工作組；業(yè)界產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（德國(guó)工業(yè)4.0/IIC/AII等）也已經(jīng)成立專門(mén)的數(shù)字孿生工作組或任務(wù)組來(lái)推動(dòng)數(shù)字孿生的產(chǎn)業(yè)化工作。更進(jìn)一步，國(guó)內(nèi)外還專門(mén)成立直接的聯(lián)盟組織（IDTA/DTC等）來(lái)負(fù)責(zé)數(shù)字孿生的生態(tài)建設(shè)。

2020年11月26日，數(shù)字孿生體聯(lián)盟發(fā)布了《數(shù)字孿生體概念和術(shù)語(yǔ)體系（征求意見(jiàn)稿）》，對(duì)數(shù)字孿生的概念和術(shù)語(yǔ)進(jìn)行了統(tǒng)一。

2021年，ISO/IEC JTC 1/WG 11（智慧城市工作組）成立了城市數(shù)字孿生及操作系統(tǒng)專題研究組。該研究組專門(mén)研究討論數(shù)字孿生技術(shù)在智慧城市中的應(yīng)用場(chǎng)景、預(yù)研分析和技術(shù)方案并計(jì)劃發(fā)布相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化成果物。后續(xù)，該組織將基于國(guó)內(nèi)及國(guó)外專家在城市數(shù)字孿生參考架構(gòu)、案例分析等方面的成果，推動(dòng)開(kāi)展相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)研制工作。

2022年1月，由騰訊等公司聯(lián)合參與制定的《城市數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)化白皮書(shū)（2022版）》發(fā)布，該《白皮書(shū)》梳理了城市數(shù)字孿生的標(biāo)準(zhǔn)體系總體框架和標(biāo)準(zhǔn)分體系描述，推進(jìn)了城市數(shù)字孿生在城市規(guī)劃、城市建設(shè)、城市治理、城市服務(wù)等維度，開(kāi)展典型應(yīng)用場(chǎng)景的標(biāo)準(zhǔn)研制。

隨著數(shù)字孿生在各領(lǐng)域的實(shí)踐應(yīng)用以及應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，相信未來(lái)將會(huì)有越來(lái)越多的標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)，為數(shù)字孿生落地提供更科學(xué)、更合理的指導(dǎo)。

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