數字孿生形成城市發展新形態

　　
數字孿生是以數字化方式創建物理實體的虛擬實體，借助歷史數據、實時數據以及算法模型等，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。數字孿生技術打通了物理世界與虛擬空間的通道，聯結現實世界與數字世界，在虛擬空間打造“全真世界”。

　　
數字孿生的設想首次出現在2002年前后。近年來，物聯網、大數據、云計算、人工智能等新一代信息技術的發展，使數字孿生得到更加廣泛的傳播和應用。目前，數字孿生的應用已經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、閉環性以及可拓展性。

　　
數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、孿生互動的城市發展新形態。

　　
在智慧城市中，數字孿生城市通過對物理世界的人、物、事件等所有要素數字化，在網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字世界同生共存、虛實交融的格局，這突出了數字孿生的實時性以及保真性，將物理世界的動態，通過傳感器精準、實時地反饋到數字世界。數字化、網絡化實現由實入虛，網絡化、智能化實現由虛入實，通過虛實互動、持續迭代實現物理世界的最佳有序運行，這突出了數字孿生的互操作性、可拓展性以及閉環性。

　　
數字孿生技術廣泛應用面臨挑戰

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

　　
目前，數字孿生還處在初級發展階段，但要步入廣泛應用階段，還將面臨數據、基礎知識庫、安全、多系統融合和人才等5方面挑戰。

　　
一是數據問題。數據是數字孿生的關鍵所在，現階段與數據有關的問題主要有：多維度、多尺度數據采集不一致；數據傳輸穩定性不足；受多源數據獲取方式的影響，數據準確性難以保障；海量數據的存儲與處理能力欠缺；通信接口協議及相關數據標準不統一；數據的分享與開放機制不完善以及多源異構多模數據較難實現集成、融合和統一。

　　
二是基礎知識庫問題。在系統層級方面，存在著數字化、標準化、平臺化的缺失，主要體現在各層級的自身基礎知識庫匱乏，現有層級之間的基礎知識庫互聯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、規劃性缺失的問題；在價值鏈方面，則存在著現有應用價值不足、兼容性差、盈利模式不明等問題。

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

　　
四是多系統融合問題。數字孿生是一個多維系統的融合，在數據、模型和交互各環節均涉及融合應用，而目前無論是數據采集、數據傳輸、模型構建還是交互協同的環節，與數字孿生構架均未深度結合。

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

　　
聚焦關鍵技術優化數字孿生

　　
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，以數據和硬件為基礎，以大規模知識庫、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、信息安全等多種數字孿生關鍵技術。推出優質培訓課程等方式加強數字孿生優秀平臺或產品的展示與推廣。加強數字孿生產業開放與交流平臺建設，促進產學研協同創新，讓需求和技術得以落地。加強數字孿生與其他技術的創新融合，探索和研究更符合數字孿生相關業務的基礎理論、集成融合技術及方法。加強數字孿生相關人才培養，尤其要加強培養具備數字孿生與其他領域知識儲備的交叉復合型人才。

　　
盡管數字孿生及相關系統實現了快速發展，但從長遠來看，要釋放數字孿生的全部潛力，有賴于從底層向上層數據的有效貫通，并需要整合整個生態系統中的所有系統與數據。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展，各項要素得以持續優化，數字孿生的發展將一邊探索和嘗試，一邊優化和完善。

　　
目前，數字孿生的行業應用層出不窮。隨著人工智能﹢三維數字化自動建模等技術的研發與應用，數字孿生的實現效率將大大提高，進而實現智慧城市可視化操作系統，并賦能產業互聯網由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數字萬物的跨越。

　　（作者為國際歐亞科學院院士，廣州大學地理科學與遙感學院教授、博士生導師）