文 | 极智GeeTech
科幻电影《钢铁侠》（Iron Man）中，托尼·斯塔克通过数字孪生技术，能够创建战甲的虚拟模型进行设计和优化，实时反映和模拟战甲的状态和性能。战甲内置的智能管家系统“贾维斯”（J.A.R.V.I.S.），通过战甲上的各种传感器与其进行实时通信和双向交互，掌握战甲的运行状态，操控飞行系统和武器系统。这一组合使得虚拟和物理世界之间的互动更加紧密和高效。
作为打通虚拟和现实边界的技术，数字孪生正加速融入社会各个领域。从制造到消费、从生产到服务、从生活到生态，一个个数字孪生应用场景在各行各业构建，“摸不着”的数字孪生，正在带来“看得见”的效益。随着技术不断成熟和应用场景的持续拓宽，数字孪生正在将人们引入智能世界的新纪元。
数字孪生缘起
数字孪生的发展历程可以追溯到早期的“脑海孪生”阶段，人们凭借想象和经验在脑海中构建物理对象的虚拟模型。
“数字孪生”概念最早可以追溯至1991年，美国耶鲁大学计算机系教授David Gelernter在他的著述《Mirror World》中预测到了类似数字孪生的技术的出现。
2003年，美国密歇根大学Michael Grieves教授提出“与物理产品等价的虚拟数字化表达”概念，并在授课时首次使用了“Digital Twin（数字孪生）”一词，标志着数字孪生时代的开启。
2009年，美国空军实验室提出“Airframe Digital Twin（机身数字孪生）”概念，将数字孪生概念应用于航空航天制造领域。
2010年，美国国家航空航天局（NASA）在《建模、仿真、信息技术和处理》和《材料、结构、机械系统和制造》两份技术路线图中直接使用了“数字孪生”这一名称。
2011年，Grieves教授在其所著的《智能制造之虚拟完美模型：驱动创新与精益产品》中正式定义了数字孪生概念，并一直沿用至今。
数字孪生指的是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。
从2014年开始，西门子、达索、PTC、ESI、ANSYS等知名工业软件公司，都在市场宣传中使用“Digital Twin”术语，并陆续在技术构建、概念内涵上做了很多深入研究和拓展。
实现数字孪生是一个复杂的过程，需要多种技术共同支撑实现，主要包括数据采集、数据处理、模型构建、仿真执行、可视化呈现、数据分析和更新与优化等多个步骤。
在数据采集环节，通过传感器、监控设备、互联网等渠道，收集实体系统产生的各种数据，包括物理环境参数、设备状态信息、生产过程数据等。高质量、多样性的数据是数字孪生建模和分析的基础，确保获取全面准确的数据至关重要。
采集到的原始数据可能存在噪声、缺失值、异常值等问题，需要进行数据处理与清洗。这包括数据去噪、填补缺失值、标准化等操作，以确保数据的准确性和一致性。清洗后的数据将为后续的分析和建模提供可信赖的基础。
之后，基于清洗完的数据进行数据分析与建模。通过机器学习、统计分析等方法，挖掘数据中的模式、趋势和关联关系。建立数字孪生模型，将实体系统的特征映射到数学模型中，实现对实体系统的虚拟再现和仿真分析。这些模型不仅可以描述实体系统的当前状态，还能够预测未来行为，为决策制定提供支持。
数字孪生的关键是智能化决策和优化管理。基于数字孪生模型的分析结果，管理者可以制定更加精准、高效的决策方案，优化实体系统的运行和维护。数字孪生技术使得实时监测、迅速响应、智能调控成为可能，提高系统的稳定性和效率，促进持续改进和创新。
走向产业应用深水区
近些年，数字孪生已从航空航天、工业制造向交通、医疗等各个产业领域全面拓展，赋能产业数智化升级。随着人工智能、虚拟现实等技术的发展，数字孪生的概念和应用不断丰富。
随着数字孪生走向产业应用深水区，该技术正在从可视化，向可计算、可预测和可控制的方向升级。在车路云一体化、智能网联汽车、自动驾驶等领域，数字孪生技术可以用于生成训练数据，构建安全、高效的仿真测试场景，形成研发和测试的闭环迭代。
针对车路云一体化领域，数字孪生技术将真实交通环境在数字世界进行完整复刻。通过在路口路段大规模部署通感算一体化的数字道路基站，全天候、不间断、无死角地获取道路各类交通参与者的动态数据，包括行驶车辆、非机动车的位置、速度、方向等。
通过整合车辆、道路与云端数据，并对这些数据进行实时分析和处理，可以为所有车辆和交通管理部门提供准确可靠、高可用的交通数据，以全局视角规划交通流，解决车辆全局安全、全局效率与全局博弈问题，助力提高车辆行驶的安全性和交通的通行效率。
通过数字孪生，还可以将真实交通数据在仿真平台上进行场景的生成和重组，通过深度融合路侧和车端数据，为自动驾驶算法提供可供测试的Corner Case，帮助车企以更低成本进行数据的回归测试验证，保证自动驾驶算法在引入新数据后不会出现运行问题或者功能降级。
蘑菇车联创始人兼CEO朱磊认为，车路云一体化的本质是构建一套“通感算”网络，通过对实体世界进行实时数字化，为智能设备提供实时数据服务。这一网络现阶段主要为交通和车辆服务，但未来其应用范围将扩展至无人机、机器人等一系列智能体，形成一个实时的、城市级的数字孪生系统。
依托数字孪生的模拟仿真可以帮助开发者在虚拟环境中模拟和测试自动驾驶系统的各个方面，这些仿真场景能够模拟真实世界中的各种情况和挑战，从感知、决策到控制以及交互等，以便进行全面的测试和验证，据此可以评估自动驾驶系统的可靠性和性能，并发现潜在的问题和改进点。
2022年以来, NeRF、Diffusion Model、World Model等新技术，提升了仿真平台的模拟保真度，使得仿真训练的质量大幅提升。通过生成模型来输入已知环境特征，同时预测未来场景很可能就是构建计算机视觉领域自监督基础模型（Foundation Model）的关键性任务。
自动驾驶领域World Model（世界模型）正式这种理念的产物，基于路侧和车辆采集的大量多源、多模态数据，并结合语义信息和交通演化的规律生成未来可能的交通场景，用于模型训练、行为预测和测试验证。
相比其他模型，World Model的还原度更高，同时可用于合成实车运行时很难收集到的 Corner Case数据，且无需标注、灵活高效，因而有望大幅提升模型的训练效率。而当生成式AI成为数据的主要来源后，车辆规模将不再是提升自动驾驶能力的前提，数据闭环的框架和流程将成为关键。
未来，数据驱动下的自动驾驶功能开发将更加依赖海量、高质量的数据喂养，去训练成熟的算法。这就需要一套闭环的数据体系，覆盖采集、处理、分析、训练、部署等各个模块。
在目前的行业中，各个模块由不同的平台承担，虽然会提高单一模块效率，但也容易造成模块之间的割裂，形成相互孤立的数据烟囱，影响全局整合效率。
车路云网络基于实时的数字孪生系统，将成为巨量交通数据的“连接器”和“加工厂”，通过发挥“一体化”的整合价值，实现路侧、车辆、云端的三端数据联动和协同应用，进而提升自动驾驶技术以及城市交通体系的智能化水平。
数字孪生技术将现实中的物理系统与其虚拟镜像紧密连接，通过实时数据流，实现精准的模拟和预测。在未来的智能工厂中，每台机器、每条生产线都有一个数字孪生体，实时监控和优化生产过程。通过这种方式，制造商能够预见潜在的故障，进行预防性维护，从而大幅提升生产效率和产品质量。例如，汽车制造厂可以使用数字孪生技术来模拟整个生产线的运行，发现并解决瓶颈问题，提高生产效率。
在医疗领域，数字孪生可以创造出患者的虚拟模型，医生可以通过这些模型实时监控患者的健康状况，预测疾病的进展，并制定个性化的治疗方案，这被认为是未来精准医学的一部分。例如，对于心脏病患者，医生可以通过其数字孪生模型监测心脏的功能变化，调整治疗方案，避免潜在的风险。
在能源领域，数字孪生技术可以模拟能源生产和消费的过程，通过实时监测和模拟，能够优化电网运行、提高能源利用效率，并支持可再生能源的集成。数字孪生可以用来模拟电网和输电线路，以帮助能源公司更好地预测和管理电力供应，还可以用来优化风力和太阳能发电厂的运营，以提高电力生成效率。甚至可以用来模拟整个城市的能源消耗情况，以帮助城市管理者更好了解城市的能源需求和挑战。
下一代数字文明平台
随着人类已进入大数据文明当中，承载数字孪生的平台既是用户的应用中枢，更是重要的基础设施，其根据发展路径可以分为三个阶段。
第一个数字平台是基于互联网，人类可以把所有信息进行数字化并进行互联，使知识受制于算法的力量，这个时代的代表者是谷歌、百度等公司。
第二个数字平台是人类关系网络，人类的行为和关系置于算法的力量之下，可以进行数字读取，代表者是Facebook和微信。
第三个数字文明平台就是镜像世界，它将整个现实世界都1:1映射变成数字社会，这其中大数据、人工智能、数字孪生都将作为基础技术加以应用。
Kevin Kelly在其著作《5000天后的世界》中提到，在镜像世界里，虚拟世界会与现实世界相重叠。镜像世界可以被看作是一个由数百万人同时参与的、覆盖全球的层叠结构。每一个人都身处自己所在的地区，但同时又和世界上各个角落的人共同处在一个地球大小的虚拟世界中。
现实中的人和虚拟的人也可以成为一个镜像，当真实和虚拟进行叠加，整个世界都变成机器可读的世界。
人们可以去搜索世界的任何东西，只要有信息就可以做任何事情，也可以把这个世界进行归类，把它变为一本目录，所有与网络连接的东西都将连接到这样的镜像世界。
无论数字孪生还是镜像世界，都依赖大量传感器收集数据，这些传感器包括嵌入式设备、摄像头和气象站等，实时收集环境、设备或人体的各种信息。收集的数据必须经过融合处理，以生成全面的数字模型。这个过程不仅要求高效的实时数据网络，还需要复杂的数据融合技术来确保不同来源的数据能够无缝集成和应用。
此外，这些技术都需要强大的高性能计算和大数据处理能力。它们依赖GPU、分布式计算和云计算等技术来处理和分析海量数据，通过机器学习和数据分析技术，从庞大的数据集中提取有价值的信息，用于预测和决策支持，同时将数字模型与现实世界叠加，提供沉浸式体验，增强用户的感知和互动，也使得复杂系统的模拟和优化变得更加直观和高效。
科技的发展从未如此迅速，也从未如此深刻地影响着人们的生活。数字孪生、镜像世界等技术不仅代表了前沿的科技潮流，更预示着未来生活的无限可能。也许不久的将来，当人人都有个智能助理 “贾维斯”，人人都将是 “钢铁侠”，一个充满希望和挑战的智能时代正向我们走来。
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