元宇宙系列 | 一文读懂数字孪生

本期作者：何京 李凌峰

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上世纪六七十年代，美国的载人登月计划正在如火如荼地进行中。1970年4月11日，搭载了3名宇航员的阿波罗13号飞船顺利点火升空，这是NASA“阿波罗”载人登月计划的第三弹。有了前两次的成功登月经验，NASA对此次的登月计划也充满了信心。

然而，就在阿波罗13号飞船飞行了大约56个小时后，距离月球只剩6万公里时，飞船外突然传来了一声沉闷的巨响，伴随着金属扭曲的刺耳声响，舱内警报四起，供水、氧气、温度全部出现异常，原来是飞船一侧的氧气罐接连发生了爆炸。地面指挥中心的工作人员接收到事故信息后，决定立即终止登月计划，让宇航员乘坐登月舱返回地球。经过地面科学家和宇航员的不懈努力，在氧气不足、供电紧缺、飞船失去动力、二氧化碳浓度过高的极端情况下，成功借助月球引力将登月舱甩回了绕地轨道，最终平安降落在了太平洋上。

这一堪称人类历史上最伟大的太空救援行动，不仅挽救了三位宇航员的生命，也诞生了数字孪生的技术源头。

除了上文提到的航空航天领域，数字孪生技术在众多领域均有广泛的应用场景。

1. 电网系统

电网系统是最早将数字孪生技术运用到实际操作的领域之一。数字孪生电网，指的是在数字虚拟空间中创造一个与物理实体电网所对应的数字电网，通过对物理电网的全方位数据搜集以及分析，运用模型平台进行科学决策，并准确地执行相应的命令，从而实现对物理电网系统运行状态的实时捕捉，潜在风险实时监测和预测，实时完善及更新。通过构建数字孪生电网的方法，可以提高电网的物质资源、智力资源、信息资源的配置效率和运作状态，使电力系统以最佳方式运行，并将风险控制于未然，提高其稳定性、安全性等性能。

（图片来源于图扑官网）

3. 智慧城市建设

在城市建设方面，利用数字孪生技术，可以在数字虚拟空间建造一座与物理世界相对应的孪生城市，物理城市中各种各样的传感器、摄像头记录的数据将会被采集到终端并保存。通过分析这些数据，可以全方位展示城市各领域综合运行态势，有效地协助城市规划、城市管理以及实物资产的运营和维护。

例如，在城市交通方面，根据对路况实时数据的分析和计算形成可视化道路，可以预测拥堵路口，提前采取分流措施，缓解城市交通压力。

在文旅服务领域，通过对景区客流量、行动轨迹、道路情况等数据的监测分析，可以在数字城市上计算出更高效的游览路线，为景区管理提供更高效的解决方案。

（图片来源于图扑官网）

我国已有将数字孪生运用于城市交通的实际应用案例。国内首个基于纯视觉的全天候高速公路数字孪生应用——杭州湾跨海大桥，是国内首座“数字孪生跨海大桥”。在大桥的指挥中心，能够看到硕大的屏幕上，一座“数字孪生大桥”呈现在“云端”。这座数字大桥上汇聚了杭州湾跨海大桥上的实时流量、事件图文、北斗导航、通阻状况、事故处置进展等关键要素，实现全信息要素‘一张图’和实时车流轨迹展示。这些数据都来源于大桥桥面上每间距125米设置的数字高清摄像机的捕捉，基于摄像机捕捉到的实时数据，结合人工智能算法的分析，杭州湾跨海大桥完成了全桥18类事件108种管控策略的编制部署，真正实现了交通数字化。

4. 智慧医疗

数字孪生正在逐步进入医疗健康领域。众所周知，药物的研发上市、医疗诊断方法的推广等都需要经过漫长而又严格的前期实验，且需要投入巨额的研发成本，利用数字孪生技术，可以搭建起医院和患者的虚拟数字模型，通过对患者病历数据、人体结构、医院环境、医疗器械参数等数据的分析和计算，短时间内对模型进行多次训练，提升临床试验或医疗测试的效率和准确性。

元宇宙立足于虚拟世界与现实世界的交叉，那数字孪生技术与元宇宙之间有什么样的联系呢？

数字孪生是对现实物理世界的数字化映射，更加强调准确度和真实性，力求打造一个与现实世界完全相同的数字孪生体。无论是工业制造，还是城市管理，都是运用人工智能对物理世界的客观数据进行挖掘和深度学习，并进一步模拟情境和决策，以改进现实或更好地适应现实。

而元宇宙作为一个更超现实、更富有想象力的虚拟世界，不仅需要构造一个与现实世界高度相似的数字世界，还需要融合虚拟现实、人机交互等功能，在虚拟世界的基础上打造一个比现实世界更为梦幻、更为多样化的沉浸式数字世界。数字世界中的每位居民都拥有独立的数字身份和数字感知体，可以同其他居民互动、社交并共同参与虚拟社会的发展建设。正如元宇宙游戏ROBLOX的招股书中的描述，元宇宙至少要具备8个关键要素：身份、朋友、沉浸感、随时随地、多样性、低延迟、经济和文明。由此可见，可以说，元宇宙作为一种超越数字孪生的技术模型，更为聚焦“人”和“社会系统”。

（图片来源于电影《失控玩家》）

由此可见，数字孪生是元宇宙的核心技术之一，也是构建元宇宙的基石。受到现阶段技术水平的限制，数字孪生还存在着建模精确度不足、领域数据采集能力有限、算力低下等问题。但随着5G、人工智能、信息网络传输等技术的进一步发展，数字孪生技术会日益成熟，在给越来越多的行业带来技术革新的同时，也会让元宇宙更加接近“Fantasy”。