从数字孪生到数字原生

计算机和互联网的不断发展与演进，使人类社会的信息化得到了进一步普及。通过信息化革命，人们可以从繁复的劳动中得到初步解放，从而将更多精力投入到创造性的工作当中，使技术进步呈加速状态。通过各种信息化技术，人类还可以将物理世界的局部映射到虚拟空间，实现对物理世界的模拟、仿真，进而实现对其更为深刻的理解，“数字孪生”（Digital Twins）由此诞生。

“数字孪生”这一概念源于美国，由密歇根大学教授迈克尔·格里弗斯（Michael Grieves）于2002年提出。他在一篇文章中首次提到“Digital Twins”，并认为通过物理设备的数据，可以在虚拟（信息）空间构建一个可以表征该物理设备的虚拟实体和子系统。

如何理解数字孪生？电影《钢铁侠》中的一个场景或许有所帮助：男主角托尼·斯塔克为自己打造了一件钢铁战甲，他在对这件战甲进行设计、维修和优化的时候，没有使用图纸，而是在一个数字化的虚拟模型上进行操作。通过这个数字化的虚拟模型，托尼·斯塔克对战甲的运行状态了如指掌。这个场景体现了电影工业者对未来设计场景的美好幻想，而今天，这种技术被称为“数字孪生”。

美国航空航天局（NASA）对数字孪生的定义是：数字孪生是指充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多尺度的仿真过程，它作为在虚拟空间中对物理实体产品的映射，反映了相对应物理实体产品的全生命周期过程。简单来说，数字孪生就是利用数字技术，将现实世界的物体、系统以及流程等实时映射到虚拟空间，生成一个数字化的“克隆体”。

首先将数字孪生的理念应用于实践中的也是NASA，它为其“阿波罗计划”开发了两个相同的太空飞行器，留在地球上的飞行器被称为“孪生体”，用来反映正在执行任务的空间飞行器的状态。NASA之所以会成为数字孪生的先驱者，是有历史渊源的，早在20世纪70年代，NASA内部就已孕育出“孪生”的基本思想，并因此度过了一次前所未有的危机。

1970年4月13日，飞往月球的阿波罗13号宇宙飞船出现了故障，宇宙飞船和宇航员们的安全都受到了严重的威胁。在人类探索太空的历史上，这样的状况还是第一次发生。此时，登月已经不可能了，如何保全宇航员的性命，让他们安全回家，成了航天员和数千名NASA地面支持人员关注的焦点。

为了确认哪些系统还能正常工作，哪些系统已经损坏，宇航员们不断地打开、关闭不同的系统。地面控制中心综合各方面的信息，利用地面仿真系统快速而准确地诊断出问题所在。这套完整的、高水准的地面仿真系统，是一个模拟器，原本是用来培训宇航员的，包含了宇航员在太空中可能用到的所有任务操作，对多种故障场景的处理也进行了模拟。在整个太空计划中，模拟器是技术最复杂的部分，在模拟培训中，唯有乘员、座舱和任务控制台是真实的，其他所有的一切都是由计算机、浩如烟海的公式以及经验丰富的技术人员创造出来的。

在对宇宙飞船的受损程度以及电力、氧气和饮用水的剩余量等进行考量和权衡后，NASA制订了一个大胆的、令人震惊的返回地球计划。但这个计划远远超出了飞船设计的边界，从来没有人实践过，谁也不知道它究竟是否可行。而且，试错的成本异常高昂，因为一旦出现任何纰漏，宇航员们就再也没有回家的机会了。

为了确保这个计划万无一失，地面控制中心对模拟器进行调整，使其适配阿波罗13号当前的配置及状态，按质量、重心、推力等参数为这艘飞船的主机进行了重新编程，又与登月舱制造厂商协同工作，确定了新的着陆过程。然后，安排后备宇航员在模拟器上进行操作演练，结果证明这个计划的确可行，这极大地增强了地面控制人员与宇航员们的信心。

最终，宇航员们死里逃生，平安回到地球。阿波罗13号能成功返回地球，模拟器功不可没。

从某种程度上来说，这个模拟器正是现在风靡一时的数字孪生的一次现实应用。正是因为早就认识到了“孪生”的重要性，NASA才尤为重视数字孪生的作用，并将其率先应用于航天领域。

数字孪生最重要的特征是虚实映射。虚实映射指的是物理实体和数字化模型之间的双向映射，它是通过对物理实体构建数字化模型实现的。因为这一特征，数字孪生为CPS（Cyber-Physical Systems，信息物理系统）的建设提供了基础，是实现CPS的最佳技术。CPS的目标就是实现虚实融合，把人、机、物互联，将物理世界和虚拟世界彻底融合于一体，通过大数据分析、云计算、人工智能等数字技术在虚拟世界的仿真分析和预测，以最优的结果驱动物理世界的良性运转。而数字孪生使其成为现实，并且可以在虚拟空间中对现实世界的运行框架和体系进行复制，为人类社会创造一个大规模协作的新体系。这为工业制造、智慧教育、智能交通、智能家居等提供了新的转型路径和变革动力。

在新冠肺炎疫情期间，武汉第二座“小汤山医院”——雷神山医院之所以能以令人惊叹的速度建成，就是因为它充分利用了数字孪生技术。雷神山医院是一所应急传染病医院，采用传染病医院标准的“三区两通道”设计，流程极其复杂，设计难度很大，而疫情的迅猛扩散又要求它快速建成并投入使用，怎么才能解决这种难度高和时间紧的矛盾呢？临危受命的中南建筑设计院（CSADI）采用建筑信息建模（BIM）技术，为雷神山医院创造了一个数字化的“孪生兄弟”，并根据项目需求，利用BIM技术指导和验证设计，大大提高了设计效率。

数字孪生诞生于工程领域，后被延伸到更广阔的领域，比如城市建设与管理领域。数字孪生城市的出现，刷新了人们对未来城市的想象。

雄安新区在规划之初就提出：“坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设，适度超前布局智能基础设施，推动全域智能化应用服务实时可控，建立健全大数据资产管理体系，打造具有深度学习能力、全球领先的数字城市。”[3]

如果你去过雄安新区，一定会被工程机械林立、车辆往来穿梭、工人昼夜施工的建设场景所震撼，但你可能想象不到，还有一个更令人震撼的“云上雄安”数字智能之城正在同步建设。智能交通基础设施、块数据平台、超级计算（简称超算）云中心、自主可控区块链平台、城市信息模型（CIM）平台……一批又一批城市级智能平台的搭建，不断推进雄安新区的数字孪生城市建设。在人类城市建设的历史上，“数字城市”与“物理城市”第一次同步建设，共同生长。

中国城市规划设计研究院前院长杨保军曾经对雄安新区的数字孪生城市的价值进行过总结：“将来一些决策付诸实施前，可先在虚拟城市模拟运行，根据效果再在现实城市建造或运行。雄安将成为智能城市建设的样本。”

城市与数字的虚实结合，在雄安新区将演变为一种现实。这种敢为天下先的尝试，充分代表了我国在智慧城市领域新的发力方向。由于数字经济及新基建的持续赋能，我国在数字孪生城市建设上一定会呈现领先之势。

在2019年中国国际大数据产业博览会上，《失控：全人类的最终命运和结局》的作者凯文·凯利（kevin kelly）发表了一场关于“镜像世界”的精彩演讲。凯文·凯利曾经多次提及“镜像世界”的概念，在他看来，“镜像世界”是互联网发展史上第三个具有开创性和颠覆性意义的技术平台。第一个是互联网，它将信息数字化；第二个是社交媒体，它将人类数字化；而“镜像世界”则将整个世界数字化。从本质上来说，凯文·凯利的“镜像世界”就是从大众的视角对数字孪生的一次诠释，而数字孪生则是促使“镜像世界”的美好愿景更快实现的推动力量。

数字孪生引领着我们从物理世界向数字世界迁徙，随着我们的探索越来越深入，我们思考问题的方式也逐渐由以物理世界为重心向以数字世界为中心迁移，数字原生应运而生。