数字孪生：数字经济迈向新阶段的助推器

数字孪生（Digital Twin数字双胞胎）是将现实社会生活内容（原体）搬到虚拟网络（孪生体）的综合性技术（映射 交互 建模 演绎），是现实世界在网络世界中的数字映射与共生技术（如三维视频融合、人工智能、云渲染和高性能计算等）。这种将工业产品，制造系统，城市等复杂物理系统信息（结构、状态、行为、功能和性能）映射到数字化的虚拟世界，通过实时传感、连接映射、精确分析和沉浸交互来预测和控制物理系统，实现复杂系统的虚实结合，使系统全要素、全过程和全价值链达到最大限度的闭环优化。目前，数字孪生已经在航空航天、装备制造、健康医疗、轨道交通和城市管理等方面得到了广泛应用，为我国数字经济向纵伸发展提供强大动力支持。

从上世纪80年代开始，随着微型计算机在一些领域广泛使用，科学计算、数据处理和过程控制等任务交给计算机自动完成，现实物理世界开始部分地被数字化，与现实社会相对应的“数字空间”概念随之出现；1995年以来，以互联网为代表的信息化浪潮席卷全球，数字空间逐渐膨胀，从互联网信息服务加快向设计生产、商业零售、社区生活、智慧城市和社会治理等领域延伸，并初步实现了通过网络平台全方位整合线下实体社会资源的目标。为了进一步提高数字空间服务实体空间的精准度和时效性，2002年出现的数字孪生一词，试图在数字映射现实社会的基础上，实现数字空间与物理空间的有效互动；强调数字孪生体与现实原体的共生关系，使数字映射、数字交互、数字建模和数字演绎成为新一代信息技术服务实体经济发展的主要方向。但限于当时的信息技术水平，在数字储存、通信、计算能力和计算方法等方面，还无法满足数字孪生所提出的各种要求，尤其是其昂贵的转换成本大大限制了数字孪生的落地应用，致使数字孪生一词自提出后，因没有引起人们足够重视而长期停留在概念阶段。

2006年，随着物联网技术的不断成熟和普及应用，促进了网络接入、数据传输技术和算力、算法的长足发展，数字孪生一词再次进入人们的视野。海量物联设备相继被接入网络，被实时采集的数据又被源源不断地推送到数据中心，网络和算力需求带动了相关技术的不断进步，使支撑数字孪生应用的相关技术（大数据、云计算、区块链、虚拟现实、人工智能、5G等）迅速成熟起来。2011年，美国家航空航天局（NASA）和空军实验室，在飞行器健康运维中采用数字孪生技术取得了巨大成功（安全降本增效）。以此为起点，数字孪生技术开始在产品的运行维护和设计研发层面加以推广使用。2015年，数字孪生技术被引入民品的设计生产和销售服务的全生命周期之中，并借助互联网科技巨头的粘性，迅速将这一技术从终端消费者推向产业链上游，直接成为传统企业转型升级、实现高质量发展的强大推动力量。2020年突发的新冠肺炎疫情，迫使人们不得不将常规的线下工作学习、生产经营和治理活动转移到线上，数字空间应用比重不断增加。统筹疫情防控和经济社会发展转入常态化后，对网络空间的数字原生创造力、数字空间与实体空间的共生力都提出了更高的要求，迫切需要通过更多的网络数字孪生体，来推动物理空间实体活动创新发展。因此，疫情不仅繁忙了网络，而且加速了数字孪生技术的全面应用。

数字经济是以数据资源为关键要素，以现代信息网络为主要载体，以信息通信技术融合应用、全要素数字化转型为重要推动力，促进公平与效率更加统一的新经济形态。“十四五”时期，我国数字经济转向深化应用、规范发展、普惠共享的新阶段（国家《“十四五”数字经济发展规划》）。我国的数字经济是在信息化发展到一定阶段后提出来的（2016年G20杭州峰会首次提出），之后数字经济被写入政府工作报告（2017年3月），并将数字经济发展上升为国家战略（2021年3月12日）。经过多年的发展，我国的数字经济实践从“两化协同”（即数字产业化和产业数字化）发展，扩展到“四化协同”（数字产业化、产业数字化、数据价值化和治理数据化）发展。数字孪生将在促进“四化”融合发展的基础上，推动数字经济向更高层次递进，为实现网络强国、数字中国和智慧社会的发展目标提供动力支撑。伴随着数据量的爆发式增长，数据的价值需要被深入挖掘和系统利用；在高速、低延和泛连的网络环境基础上，有高可信的区块链认证技术加持，我们将进入价值互联网和秩序互联网时代；借助云计算、人工智能提供的强大算力算法，我们生活的物理世界将在数字世界里完美地展示和呈现出来，数字孪生产品（工厂、车间、城市、社会和国家等）、工业机器人、人型机器人（数字虚拟人）、智能制造等将逐一变成现实。这种基于数字孪生的，在现实物理世界与网络数字世界之间形成的实时映射，一方面强力助推数字基础设施建设和数字核心产业的发展，另一方面也促使传统产业在换道超车过程中获得新的生命力，为推动国家在经济、政治、社会、文化和生态建设的全面发展贡献力量。

需要说明的是：第一，工业制造领域是数字孪生应用的主战场，是实现智造强市的重要突破口，有条件可直接引入成功经验加以布署实施。数字孪生在降低产品研发和制造风险、提升产品可靠性和可用性的基础上，还能通过提高效率和降低成本增强产品和服务的市场竞争力。具体体现在产品的研发设计、生产制造和运行维护三个重要环节：对数字化产品模型进行仿真测试和验证、模拟设备运转及参数调整带来的变化和对交付使用产品的运行数据连续采集和智能分析、预测故障点及最佳维护时间。目前，我国工业制造已经进入井喷时代，盾构机，挖泥船，高铁，空间站，航空发动机等都实现了自主研发，这种质的飞跃是科技加持的结果，其中数字孪生技术发挥了重要作用。第二，数字孪生与5G应用、智慧城市建设的关系十分密切，应与相关智慧项目统筹规划、同步实施。城市的管理者依据数字孪生城市的基础设施（水、电、气、交通等）运行状态，市政资源（警力、医疗、消防等）调配情况数据，可更高效地管理城市运行。2021年底，雄安新区智能城市规划全面遵循“数字孪生城市”理念，已经实现了物理城市与数字城市的规划和建设双同步。第三，基建工程既是数字孪生的奠基开拓者，又是全过程数字化模拟（BIM）的实践者。开工前的数字化建模、数字空间仿真模拟，可评估工程结构、承受能力及交付使用后的动态流量数据，维护阶段可监测可能出现的事故隐患等。2022年9月30日，国内首个基于纯视觉的全天候高速公路“数字孪生”应用在杭州湾跨海大桥完成部署，这是在数字环境中构建的一座和现实环境中同步的“孪生大桥”，是数字孪生技术的又一次成功实践。第四，要注意数字孪生和元宇宙的联系和区别。其共同之处体现在都是利用数字技术构建虚拟空间，但在落地应用时间、成熟度、设计目标、应用领域、作用基点（源体）、作用维度和作用范围等有着很大区别（附表）。总的来看，数字孪生可针对传统领域存在问题通过数字手段实时加以解决，经过10多年的深耕发展，已经在工业制造、工程基建和智慧城市建设等领域全周期加以应用；而元宇宙则试图突破现实规则建立完美的数字社会新形态，目前仍然停留在资本运作和游戏娱乐、文旅教育(虚拟人)等沉浸式体验的精神应用层面。

数字孪生与元宇宙

总之，数字孪生就是利用虚实融合技术，用迭代和进化的方式对从产品到生产线和工厂、从园区到城市和国家的物理空间进行全面观测，洞察其发展态势，在科学分析、预测、决策基础上，通过对数据网络虚拟空间的管控达到提升实体运行效率的目的。数字孪生通过对网络空间的模拟和仿真，还原真实世界并影响现实生活，必将显著提升数字产业化水平，推进产业数字化转型迈上新台阶，促进数据要素市场体系建立，完善数字经济治理体系，实现数字化公共服务更加普惠均等。伴随着数字化新模式、新业态的不断涌现，现实空间与数字空间的互联互通和交互操作变得更加频繁，数字孪生必将推动数字经济迈向新的发展阶段（完）。