NASA连续3年把数字孪生列为十大战略科技发展趋势(图)
数字双胞胎：使用虚拟优化现实
蒋志海制图
冯锐
近年来，“数字孪生”的概念正逐渐进入人们的视野。这个概念在 1970 年代美国国家航空航天局 (NASA) 的计划中被提及，直到 2010 年才在 NASA 的另一份报告中正式定义：将现实世界的事物构建成虚拟双胞胎空间，以及指导和优化真实或物理空间。
经过多年的发展，数字孪生逐渐成为物理世界和数字空间双向交互的新范式。随着与人工智能、大数据等技术的深度融合，数字孪生也成为全球信息技术发展的新焦点。这家信息技术研究分析公司连续三年将数字孪生列为十大战略性技术发展趋势，并相信其将在未来五年内产生颠覆性创新。
目前，数字孪生已成为世界重大国家战略。各国高度重视其发展，加快推动制造业进入数字化、智能化时代。例如，以美国国防部为首的国家数字制造和设计创新局将数字孪生列为 2018 年的战略投资重点；德国工业4.0也将数字孪生作为重要内容； 2020年英国发布《国家数字孪生原则》的目的是统一各行业数字孪生开发标准，提升不同数字孪生之间数据融合的价值。
我们的国家也不例外。 2020年4月，国家发展改革委、中央网信办联合印发《推进“上云、数据赋能”行动培育新经济发展的实施方案》，将数字孪生列为其中之一七大新一代数字技术。数字孪生创新行动，旨在推动数字孪生的发展及其在先进制造或制造业中的创新应用。
由于制造领域对数字孪生的重视程度越来越高，它已成为我国新型基础设施的重要组成部分和建设新型智慧城市的重要技术手段。目前，上海、广东省、海南省等多地已出台支持数字孪生发展的政策，支持数字孪生城市探索建设。比如，雄安新区率先提出建设世界领先的数字孪生城市；上海也面临着数字孪生的重大发展机遇。目前，上海正处于城市数字化转型和新型智慧城市、平安城市建设进程中，这将为数字孪生的发展提供更丰富的应用场景。
有了政策，“政策执行”的问题也需要考虑。笔者认为，没有企业的支持，数字孪生无法更好地应用于国家发展。当然，学术界是数字孪生研究的基础，但企业是其发展的核心。只有在两者之间架起一座合作的桥梁，数字孪生才能更好地发展。
无论哪一方研发数字孪生，都需要从顶层设计入手。笔者认为顶层设计需要注意以下几个问题。
首先是关键共性技术问题，即首先要在精准建模和超大规模计算技术上取得突破。要想有所突破，就必须加强对数字孪生基础理论和基础技术的研究，推动数字孪生数据闭环的形成。
同时，要加强数字孪生工程应用技术研究，推动智慧城市和平安城市在重点领域的创新应用，并着力推动数字孪生城市实现规模化落地。交通、社区、服务等领域，然后建设城市规划新模式。
其次，针对各个建设层所需要的基础软件依赖国外的问题，我国需要加强基础设施建设，比如高性能公共计算中心。同时，为了构建大规模的知识库、模型库和算法库，还需要在相关技术标准的分析上进一步突破，建立不同模型数字孪生之间的统一方法论。
除上述问题外，数字孪生评价体系和科学统计体系的指标还存在不足，相关政策对数字孪生发展缺乏科学规划和引导。对于监管者来说，国家敏感的地理信息、数据安全以及数字孪生所涉及的新经济运行模式都给他们带来了新的挑战。
目前，数字孪生已初步专注于制造业的单一应用领域，已发展为大规模、跨领域融合。例如数字孪生价值，随着数据量的不断增加，数字孪生城市模型将对模型建立的准确性和效率提出更高的要求。不仅如此，数字双胞胎正在从物理世界的镜像状态映射转变为多模型动力学的反映。
在跨领域方面，数字孪生显然是主要技术的集成者。比如数据模型会涉及到人工智能技术，甚至是数字孪生中非常重要的智能决策。人工智能的加入无疑会提高智能决策的可靠性和稳定性。
未来，数字孪生的应用领域会越来越广泛，数据量会越来越大，模型也会越来越复杂。因此，模型建立的准确性和效率之间存在矛盾。然而，两者之间的矛盾并非不可调和。只需要加强对数学或物理交叉学科的支持。因此，复合型人才的培养也应提上日程。它的发展，包括基础理论，更依赖于人才的积累，尤其是青年科学家的骨干。同时，有效整合整合其他领域技术积累的人力资源、成果资源和数字孪生体也非常重要。
如前所述，上海具备发展数字孪生的得天独厚的条件。首先，上海在数据方面已形成五位一体的大数据发展格局，拥有一大批高端人才，可以依托高校和科研院所的数字孪生相关科研基地。尤其是青年科学家数字孪生价值，势必成为数字孪生基础理论和基础技术研究的中坚力量。
在基础设施方面，上海5G网络已覆盖全市16个区，建立了15个具有全国影响力的工业互联网产业平台，率先启动了5个新的城市物联网百万级部署；在超大城市精细化治理方面，上海构建了独具特色的城市运营管理“一张网管”体系。在产业资源方面，上海拥有一大批创新型龙头企业。
（作者为复旦大学计算机科学与技术学院教授，接受本报记者秦志伟采访）
中国科学杂志（2021-08-19第三版信息技术）