一條冷知識：如何把現(xiàn)實世界投射到元宇宙的虛擬世界中？

“元宇宙（Metaverse）”這個概念出自尼爾·斯蒂芬森在1992年的科幻小說《雪崩》。小說描繪了一個數(shù)字空間元宇宙，在這里，人們利用數(shù)字“化身（Avatar）”來相互交往。

從小說中的描述可以看出元宇宙本質上是對現(xiàn)實世界虛擬化、數(shù)字化過程，要想元宇宙在現(xiàn)實中得以實現(xiàn)，我們需要擴展現(xiàn)實技術、數(shù)字孿生和區(qū)塊鏈這三大技術。

在這里文檔君給大家介紹其中的數(shù)字孿生（Digital Twin）技術。

01、數(shù)字孿生的發(fā)展歷程

起源

數(shù)字孿生這個概念最開始起源于20世紀70年代，美國航空航天局（NASA，National Aeronautics and Space Administration）使用兩個一模一樣的航天飛行器，其中一臺發(fā)射到外太空執(zhí)行太空任務，另一臺留在地球上輔助工程師分析處理太空中多種故障場景。

發(fā)展

2002年，密歇根大學教授Michael Grieves在關于產品生命周期管理的演講中，提出了類似數(shù)字孿生的概念模型。

2010年，NASA在其發(fā)布的技術路線圖中使用了數(shù)字孿生這一概念。

2011年，某研究實驗室人員在一次演講中提到了機體數(shù)字孿生（Airframe Digital Twin）這個概念。

2015年之后，世界各國陸續(xù)開始研究如何將數(shù)字孿生體應用到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中。

2016年~2018年，Gartner連續(xù)三年將數(shù)字孿生列為十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢。

02、數(shù)字孿生技術VS仿真技術？

文檔君一臉迷茫地看著這段話，不自覺摸了摸自己的小腦袋。

簡單來說數(shù)字孿生就是在虛擬空間中構建出與物理實體組成、特征、功能和性能完全等價，且可以進行仿真和優(yōu)化的數(shù)字模型（即數(shù)字孿生體）的一種技術。

這么一介紹是否瞬間覺得數(shù)字孿生沒有一開始聽起來那么高大上了，甚至還覺得：嘿呀，這不就是在電腦上用CAD軟件三維建模嗎？

當然不是這樣的，兩者的區(qū)別是數(shù)字孿生具有實時性和閉環(huán)性，這是仿真技術所不具備的。

實時性：數(shù)字孿生體與物理實體在全生命周期保持一致，并能高保真地鏡像物理對象的實時運行狀態(tài)。就像有個鏡中世界，里面的人和物體24小時全天候的模仿著鏡子外的你和你周圍的環(huán)境。

閉環(huán)性：數(shù)字孿生體不僅可以接收來自物理實體的數(shù)據(jù)，還可以將自身進行的仿真和推演的結果反饋給物理實體，從而幫助用戶對物理實體進行優(yōu)化和決策，實現(xiàn)物理實體的閉環(huán)決策優(yōu)化功能。

就像去醫(yī)院做身體檢查，檢查設備對患者的患病部位進行監(jiān)測和檢查，最后檢查設備把分析判斷結果反饋給醫(yī)生和患者，醫(yī)生基于檢查結果進行治療方案的制定和實施，當然與做身體檢查不同的是，數(shù)字孿生體的推演結果可以直接在物理實體中得以反饋并呈現(xiàn)。

聽起來是不是高大上了那么“億”點點？

在數(shù)字孿生體中，仿真技術是一種用來構建模型和進行仿真模擬的技術。

03、數(shù)字孿生的應用

數(shù)字孿生的應用可以說“千行百業(yè)”，涉及到智能制造、智慧健康、智慧城市、智慧能源等各個領域。

除了上述領域之外，在通信領域中的數(shù)字孿生網(wǎng)絡也采用了數(shù)字孿生技術。

數(shù)字孿生網(wǎng)絡（DTN，Digital Twin Network）在《數(shù)字孿生網(wǎng)絡（DTN）白皮書2021》中是這樣定義的：是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理網(wǎng)絡實體的虛擬孿生體，且可與物理網(wǎng)絡實體之間實時交互映射的網(wǎng)絡系統(tǒng)。

數(shù)字孿生網(wǎng)絡對比傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡的優(yōu)勢：

可視化實時反映網(wǎng)絡狀態(tài)。

故障回溯到“過去”。

調整和優(yōu)化網(wǎng)絡資源。

對網(wǎng)絡優(yōu)化方案進行仿真，驗證后部署在物理網(wǎng)絡中。

根據(jù)數(shù)字孿生網(wǎng)絡優(yōu)勢，文檔君掐指一算，預測一下數(shù)字孿生網(wǎng)絡未來可能的應用場景：

基于數(shù)字孿生網(wǎng)絡實現(xiàn)意圖網(wǎng)絡：意圖網(wǎng)絡中的翻譯和驗證、意圖動態(tài)保障/優(yōu)化等功能可基于數(shù)字孿生網(wǎng)絡的映射模型來實現(xiàn)，實時保障來自網(wǎng)絡應用層的用戶意圖。關于意圖網(wǎng)絡的詳細介紹請?zhí)D至躺“營”的意圖網(wǎng)絡。

可視化網(wǎng)絡拓撲管理：基于數(shù)字孿生網(wǎng)絡的映射模型，生成與物理網(wǎng)絡實體對應的虛擬拓撲，實現(xiàn)拓撲多維度的可視化展現(xiàn)。

故障管理閉環(huán)：故障管理閉環(huán)能夠自動準確識別和快速定位網(wǎng)絡故障根因，完成故障修復和驗證，故障閉環(huán)中的對故障處理方案進行仿真驗證，輸出方案可靠性，可以通過數(shù)字孿生網(wǎng)絡來實現(xiàn)。

04、數(shù)字孿生存在的挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢

目前越來越多的企業(yè)廣泛應用數(shù)字孿生技術，但是仍然面臨著行業(yè)內數(shù)據(jù)采集能力層次不齊，關鍵數(shù)據(jù)無法得到有效感知，采集到的數(shù)據(jù)使用率低下，缺乏數(shù)據(jù)間關聯(lián)等問題，從長遠來看，要發(fā)揮數(shù)字孿生技術的全部價值，需要整合數(shù)字孿生整個生態(tài)系統(tǒng)中的所有系統(tǒng)與數(shù)據(jù)，這是數(shù)字孿生技術發(fā)展的趨勢。

數(shù)字孿生由基礎支撐層、數(shù)據(jù)互動層、模型構建層與仿真分析層、共性應用層和行業(yè)應用層組成，而從數(shù)字孿生的生態(tài)系統(tǒng)中囊括的各種信息技術可以感覺到未來真的就是“元宇宙”了。

注：此圖出自《中國電子技術標準化研究院：數(shù)字孿生應用白皮書2020》

基礎支撐層：用于采集數(shù)據(jù)并向網(wǎng)絡端發(fā)送的終端設備。

數(shù)據(jù)互動層：為數(shù)字孿生的構建提供支持的軟件和平臺。

模型構建層與仿真分析層：為數(shù)字孿生建立有物理規(guī)律和機理的數(shù)字模型。

共性應用層：用于支持物理實體的全生命周期管理。

行業(yè)應用層：針對行業(yè)需求的數(shù)字孿生技術在各個領域的各種應用服務。

05、總結

數(shù)字孿生技術目前在各個行業(yè)領域都有巨大的發(fā)展前景，是實現(xiàn)智慧醫(yī)療、智慧城市、智慧制造、智慧網(wǎng)絡的基礎，相信成熟的數(shù)字孿生技術擁有大數(shù)據(jù)、云計算、5G網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)等技術的加持，在未來的某一天實現(xiàn)“元宇宙”這個愿景中定會大展拳腳。