从虚拟现实到数字孪生

邱元阳

新冠疫情重创了全球经济，也引发了时代变革，带来了数字经济的发展机遇。而数字经济的主流方向和前沿陣地，正是以交互为核心的人工智能。

在工业制造、智慧城市、基建工程、军事设施及其他重要领域，人工智能的研究和发展往往跟虚拟现实密切相关，其利用虚拟建模、3D仿真、模拟运行等手段，高效完成分析、生产、运行的各个环节。

虚拟现实通过多模态建模手段营造数字化世界，它具有三个明显的特征——沉浸感、交互性和想象性。在虚拟现实的发展线中，无论是VR（虚拟现实）、AR（增强现实），还是XR（扩展现实）、MR（混合现实），都是为了构建一个虚拟的世界。而在现实生活中，最终可能是需要构建一个真实的世界。用数字手段来构建虚拟的真实世界，就是数字孪生。

数字孪生（Digital Twin）的思想最早源于美国密歇根大学教授Michael Grieves于2002年在PLM（产品全生命周期管理）课程中提出的“镜像空间模型”概念：与物理产品等价的虚拟数字化表达。2009年，美国空军研究实验室（AFRL）提出“机身数字孪生体”，数字孪生自此成为专业名词，并为美国国家航空航天局（NASA）采用。

从概念描述上看，数字孪生是以模型和数据为基础，通过多学科耦合仿真等方法，完成现实世界中的物理实体到虚拟世界中的镜像数字化模型的精准映射，并充分利用双向交互反馈、迭代运行，以达到物理实体状态在数字空间的同步呈现。简单来说，数字孪生就是依照一个设备或系统，生成数字化的“克隆体”，因此也被称为数字映射、数字镜像。

数字孪生的思想逻辑，其实是来自于物理孪生。美国宇航局在阿波罗计划中，建造了多艘相同的太空飞行器，作为孪生体用于训练，以及模拟在地球模型上的备选方案，得到的飞行数据可以较为精确地反映飞行条件。在中国航天科技集团空间技术研究院的实验室中，也有一台与太空中运行的天和核心舱一模一样的孪生装备在运行，这是地面上1：1的物理在轨运营支持系统，主要作用就是接收在轨的遥测数据，设置成跟太空一样的飞行状态，来验证整个飞行程序，对空间站的维护调整也可以在地面站上先模拟再进行。

数字孪生的实质则是建立现实世界中物理系统的虚拟数字镜像，贯穿于物理系统的全生命周期，并随着物理系统动态演化。数字孪生无疑会影响到第四次工业革命的发展，工业制造领域是数字孪生的主要战场。数字孪生是仿真应用的发展和升级，依托IoT、大数据、VR、AI等技术，数字化克隆现实世界中的真实存在，模拟甚至预测现实存在的运行，指导和解决现实存在遇到的问题，给工业制造带来了显而易见的效率提升和成本下降。在智慧城市领域，BIM（建筑信息模型）利用数字化手段对建筑项目的实体与功能特性进行表达，配合GIS（地理信息系统）和IoT（物联网）形成CIM（城市信息模型）应用平台，也是城市数字孪生的一种方式。在医疗、军事和自动驾驶等领域，也都有数字孪生施展的空间。

数字孪生以其巨大的科技优势和广阔的应用前景，成为与人工智能和机器学习并列的十大战略性技术趋势之一。信息化正推动着人类社会走向虚拟与现实相结合的数字孪生世界，共同迈向“数字孪生、智慧泛在”的美好前景。