數(shù)字孿生是近10年10大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢，本文將講述數(shù)字孿生的前世——數(shù)字雙胞胎，利用數(shù)字技術(shù)將一個真實的世界雙胞胎成為一個數(shù)字化世界。

2009年12月16日全球上映了一部影片《Avatar》（阿凡達），是由James Cameron執(zhí)導的，里面有2項黑科技令人耳目一新，一是“腦-腦接口”，通過人來控制DNA匹配的阿凡達，二是“意志控制肢體”，實現(xiàn)機器人和人的動作同步，這就是“雙胞胎”技術(shù)，用一個肢體完全模仿另外一個肢體。無獨有偶，2018年3月30日上映的科幻電影《頭號玩家》，現(xiàn)實世界中的人，在游戲《綠洲》的虛擬世界里有另外一個自己，這大概就是“數(shù)字雙胞胎”。

數(shù)字孿生之熱，風口之強勁，乃至全球最具權(quán)威的IT研究與顧問咨詢公司Gartner連續(xù)三年（2016-2018年）將數(shù)字孿生列為當年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之一。世界最大的武器生產(chǎn)商洛克希德馬丁公司2017年11月將數(shù)字孿生列為未來國防和航天工業(yè)6大頂尖技術(shù)之首。事實上，數(shù)字孿生間接的影響了智慧城市、人工智能、安防三大行業(yè)的未來發(fā)展趨勢。

孿生大體上分為生理孿生、物理孿生和數(shù)字孿生三種。

根據(jù)網(wǎng)絡報道，“數(shù)字孿生”最早由美國學者邁克爾· 格里弗斯（Dr. Michael Grieves）于 2002 年提出。密歇根大學教授Grieves在發(fā)表的一篇文章中第一次提出了數(shù)字孿生概念，他認為通過物理設備的數(shù)據(jù)，可以在虛擬（信息）空間構(gòu)建一個可以表征該物理設備的虛擬實體和子系統(tǒng)，并且這種聯(lián)系不是單向和靜態(tài)的，而是在整個產(chǎn)品的生命周期中都聯(lián)系在一起。顯然，這個概念不僅僅指的是產(chǎn)品的設計階段，而延展至生產(chǎn)制造和服務階段，但是由于當時的數(shù)字化手段有限，因此數(shù)字孿生的概念也只是停留在產(chǎn)品的設計階段，通過數(shù)字模型來表征物理設備的原型。

追根溯源，那么數(shù)字孿生（Digital Twin）到底是誰提出的?

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎模型和技術(shù)依托于數(shù)字孿生體（Digital Twin），雖然這個概念產(chǎn)生于軍事領域，但很快得到了領先工業(yè)企業(yè)的認同，并投入大量資源做研究。

2011年3月，美國空軍研究實驗室（AFRL，Air Force Research Laboratory）做的一次演講，明確提到了數(shù)字孿生，是最早的提出機構(gòu)。根據(jù)有限的資料顯示，美國國家航空航天局（NASA，National Aeronautics and Space Administration）也在同期開始關(guān)注數(shù)字孿生體，但后續(xù)對數(shù)字孿生體體系的構(gòu)建貢獻并不多，反而是美國國防部立刻意識到數(shù)字孿生是頗具價值的工程工具，值得全面研發(fā)。與此同時，美國通用電氣在為美國國防部提供F-35聯(lián)合攻擊機解決方案的時候，也發(fā)現(xiàn)數(shù)字孿生體是工業(yè)數(shù)字化過程中的有效工程工具，并開始利用數(shù)字孿生體去構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系。

在2015年，工業(yè)4.0研究院（官網(wǎng)：www.innobase.cn）開始發(fā)現(xiàn)信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber-Physical Systems）不如美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC，Industrial Internet Consortium）采用的數(shù)字孿生有效，為了加深對數(shù)字孿生的理解，工業(yè)4.0研究院啟動了“數(shù)字孿生體概念及歷史”（Concept and Origins of Digital Twin）的研究課題。

根據(jù)工業(yè)4.0研究院的研究，他們首先接觸到的是美國研究教授（Research Professor）Dr. Michael Grieves在2014年撰寫的Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication，雖然Grieves強調(diào)這是一份白皮書，但實際上只有6頁多的正文文字，總計字數(shù)約為3000英文單詞。在這篇文章中，Grieves明確指出，他在2003年密歇根的高管培訓上提出了（was introduced）物理產(chǎn)品的數(shù)字等同體或數(shù)字孿生概念。這個聲明被國內(nèi)一些專家認為是Grieves首先提出數(shù)字孿生體概念的證據(jù)。事實上，Grieves似乎不太強調(diào)自己是提出者（introducer），他開始謹慎的提出數(shù)字孿生體的概念可以追溯到（dates back）自己2002年在密歇根大學PLM中心對產(chǎn)業(yè)界做的一次演講。

雖然工業(yè)4.0研究院項目組閱讀了幾乎所有可以找到的數(shù)字孿生體文章、報告及演講資料，但都沒有發(fā)現(xiàn)有確鑿的證據(jù)可以表明Grieves首先提出數(shù)字孿生體概念。即便是Grieves的友好單位美國國家航空航天局，在提到數(shù)字孿生的時候，也沒有提及是Grieves首次提出該概念。

對于數(shù)字孿生體概念的提出，工業(yè)4.0研究院項目組找到了一份2011年3月的演講資料，其題目就是Condition-based Maintenance Plus Structural Integrity (CBM+SI) & the Airframe Digital Twin，演講人是Pamela A. Kobryn和Eric J. Tuegel，他們就職于美國空軍研究實驗室結(jié)構(gòu)力學部門（Structural Mechanics Branch）。

目前沒有任何書面證據(jù)顯示Grieves提出了數(shù)字孿生體這個概念，而且，正式對外公開的資料顯示，美國空軍研究實驗室在2011年3月提出了數(shù)字孿生體這個概念。

一直以來，Grieves主要圍繞產(chǎn)品生命周期（PLM，Product Lifecycle Management）在做一些工作，但從他各種研究成果來看，他主要強調(diào)的是通過數(shù)字化來實現(xiàn)可視化，這一點跟海爾強調(diào)的透明工廠如出一轍。毫無疑問，利用數(shù)字化實現(xiàn)管理現(xiàn)場的透明化，或者實現(xiàn)產(chǎn)品生命周期的透明化，是有意義的，但不是數(shù)字孿生體的全部。

對比美國國防部利用數(shù)字孿生的情況，它首先對應的就是基于狀態(tài)的維護+（CBM+），這就是說，美國國防部把數(shù)字孿生體看成降低維護成本、提高維護效果的工具，這跟后來美國通用電氣的資產(chǎn)性能管理（APM，Assets Performance Management）是一致的。

由此可見，國內(nèi)一些專家強調(diào)數(shù)字孿生體的仿真功能，是與其產(chǎn)生初期的核心價值不同的，簡單把數(shù)字孿生體理解為建模、仿真甚至于CAD等，過于簡單的理解數(shù)字孿生體的含義，這對于中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，利用數(shù)字孿生體來實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是不利的。

數(shù)字孿生（Digital Twin）是指充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。Digital Twin是一種超越現(xiàn)實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。可廣泛應用于工業(yè)制造（生產(chǎn)設備、生產(chǎn)線）、使用維護（運維保養(yǎng)）、智慧城市等多個領域。

實現(xiàn)Digital Twin的許多關(guān)鍵技術(shù)都已經(jīng)開發(fā)出來，比如多物理尺度和多物理量建模、結(jié)構(gòu)化的健康管理、高性能計算等，但實現(xiàn)Digital Twin需要集成和融合這些跨領域、跨專業(yè)的多項技術(shù)，從而對裝備的健康狀況進行有效評估，這與單個技術(shù)發(fā)展的愿景有著顯著的區(qū)別。因此可以設想Digital Twin這樣一個極具顛覆的概念，在未來可以預見的時間內(nèi)很難取得足夠的成熟度，建立中間過程的里程碑目標就顯得尤為必要。

美國空軍研究實驗室（AFRL）2013年發(fā)布的Spiral 1計劃就是其中重要的一步，已與通用電氣（GE）和諾思羅譜·格魯曼簽訂了2000萬美元的商業(yè)合同以開展此項工作。GE將數(shù)字孿生作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一個重要概念，力圖通過大數(shù)據(jù)的分析，可以完整地透視物理世界機器實際運行的情況；而激進的PLM廠商PTC公司，則將其作為主推的“智能互聯(lián)產(chǎn)品”的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)：智能產(chǎn)品的每一個動作，都會重新返回設計師的桌面，從而實現(xiàn)實時的反饋與革命性的優(yōu)化策略。

Digital Twin突然賦予了設計師、工程師們以全新的夢想，在物理與數(shù)字模型之間，帶來無限可能……

在被Gartner連續(xù)三年（2016-2018年）將數(shù)字孿生列為當年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之后的2019年，Gartner繼續(xù)認為2019年十大戰(zhàn)略性技術(shù)趨勢中，數(shù)字孿生技術(shù)（Digital Twin）被認為在未來5年將產(chǎn)生破壞性創(chuàng)新，并帶來商業(yè)機遇。也就是說，數(shù)字孿生在10年內(nèi)都具有顛覆性。

作為數(shù)字孿生的基礎，在實景三維數(shù)據(jù)構(gòu)建方面，國內(nèi)企業(yè)也取得很大的突破。以上海航遙為例，其自主研發(fā)的中國首臺擺掃式立體測繪航空相機ASC4100，選用四臺一億像素中畫幅航空照相機，利用下視雙拼相機和后視雙拼相機同時成像的原理，通過面陣凝視掃描成像技術(shù)，借助傳感器掃擺實現(xiàn)102°大視場角成像的功能，再結(jié)合相鄰航線相反方向飛行和大重疊率拍照的飛行設計方案，實現(xiàn)獲取地面景物的頂部和前后左右多方向大重疊高分辨率的航空影像，實現(xiàn)三維立體測繪。

事實上，數(shù)字孿生和CAD、物例實體、數(shù)字線索、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計算、智能制造、PLM、CPS緊密相關(guān)。

數(shù)字孿生的誕生是伴隨著工業(yè)發(fā)展的，而當前的實際應用遠遠不限于工業(yè)，工業(yè)并不是編者關(guān)注的重點。

數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展也和宏觀環(huán)境相關(guān)，得到了國家有關(guān)部門和政策的大力支持。以自然資源部為例，將于2019年起推動在國家測繪基準體系建設與精化、實景三維中國建設、海洋測繪、內(nèi)陸水下測繪等方向凝練形成大項目、大工程。也就是說要在960萬平方公里的范圍內(nèi)完成實景三維建設，如果該工程得到順利實施，將為安防行業(yè)的未來AI發(fā)展落地帶來無限的可能行。

2018年，全國國土測繪系統(tǒng)全面融入自然資源管理大格局。新型基礎測繪體系建設取得新進展，2000國家大地坐標系大力推廣，部系統(tǒng)建成3000+座衛(wèi)星導航定位基準站，完成2.5+萬幅各種比例尺數(shù)據(jù)生產(chǎn)并分批上交更新成果，各省1:10000、1:5000基礎地理信息更新平穩(wěn)推進，智慧城市時空大數(shù)據(jù)平臺建設試點城市總數(shù)達50個，基礎航空航天遙感測繪全年獲取各類遙感影像100+萬平方千米。

根據(jù)媒體報道：自然資源部將推動在國家測繪基準體系建設與精化、實景三維中國建設、海洋測繪、內(nèi)陸水下測繪等方向凝練形成大項目、大工程。大力加強新型基礎測繪體系建設，積極探索“統(tǒng)一規(guī)劃、分級實施、協(xié)同更新”的新型基礎測繪生產(chǎn)模式，推動傳統(tǒng)單一比例尺數(shù)據(jù)庫向?qū)嶓w化、一體化時空數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)變。穩(wěn)步做好智慧城市時空大數(shù)據(jù)平臺建設，今年將在全國范圍新增8個左右試點城市，并完成4個試點城市驗收。

另外一個方面，權(quán)威人士李德仁院士接受泰伯網(wǎng)采訪時談到實景三維中國建設認為條件成熟，越快越好。李院士介紹目前實景三維產(chǎn)業(yè)已經(jīng)具備充分的技術(shù)條件，且市場需求強烈，具備推進實景三維中國建設這類大型國家級工程的基礎。首先，測繪衛(wèi)星、無人機航測、激光雷達、傾斜攝影、移動測量系統(tǒng)和自動化采集汽車等“空天地”三維數(shù)字采集方法已經(jīng)成熟；其次，5G網(wǎng)絡、云計算、區(qū)塊鏈等技術(shù)的逐漸成熟讓業(yè)界具備了海量數(shù)據(jù)的處理能力；同時，各地市基于DLG（Digital Line Graphic，數(shù)字線劃地圖）制作的三維地形圖和如今輻射全國的街景地圖，也為實景三維中國建設提供了基礎。

另據(jù)李院士介紹，目前武漢、上海、南京、廣州、嘉興、深圳、成都、重慶等600多個地區(qū)在不同應用場景嘗試了三維模型或?qū)嵕叭S模式并獲好評。如深圳在幾個區(qū)用2-3cm分辨率無人機傾斜攝影，為城市三維查處違章建筑，和城管配合發(fā)揮了很好的效果。同時，實景三維也關(guān)系著智慧交通、智能房管、管線規(guī)劃、環(huán)保監(jiān)測等諸多民生領域，對提高人民生活水平大有助益。目前歐美等發(fā)達國家和地區(qū)對三維掃描產(chǎn)業(yè)也非常關(guān)注，德國目前已基本完成全國范圍內(nèi)的實景三維建設。

根據(jù)泰伯網(wǎng)報道，2018年發(fā)布的《歐洲地理空間產(chǎn)業(yè)展望報告》，將整個地理空間產(chǎn)業(yè)廣泛劃為GNSS與定位、GIS與空間分析、遙感和三維掃描四個類別，在傳統(tǒng)的3S領域添加了三維掃描。報告預計，到2020年歐洲三維掃描市場將占全球市場的28.3%，即34.8億歐元，年復合增長率約為14.3%，三維掃描市場將成為地理空間行業(yè)四個分類中增長最快的市場。

盡管2018年7月1日起正式實施的國家標準《GB/T 35628-2017實景地圖數(shù)據(jù)產(chǎn)品》在一定程度填補了國家地理信息標準在實景地圖數(shù)據(jù)產(chǎn)品方面的空白，但距離建立完善的實景三維標準體系還有較大差距。

前面講述如此之多的背景，客觀地講，編者認為數(shù)字孿生將重新定義AI+安防落地應用，2019年就是起始元年。

這樣的觀點并不只是編者一人的觀點，已經(jīng)得到業(yè)界一些主流觀點的認可。港科大教授權(quán)龍認為三維視覺會重新定義人工智能安防。權(quán)教授在雷鋒網(wǎng) & AI掘金志主辦的「第二屆中國人工智能安防峰會」上做了主題演講。權(quán)教授認為“人工智能的核心是視覺，視覺定義了智能安防，但現(xiàn)在的視覺仍局限在二維識別層面，未來三維視覺重建將會成為最重要的任務, 它也將重新定義智能安防。”

“我們的終極目標是對圖像的理解，也就是認知，但當前的計算機視覺只處于感知階段，我們并不知如何理解，計算機視覺一直是要探索最基礎的視覺特征，這一輪視覺卷積神經(jīng)網(wǎng)絡CNN本質(zhì)上重新定義了計算機視覺的特征。但人類是生活在三維環(huán)境中的雙目動物，這使得人類生物視覺的識別不只是識別，同時也包括三維感知與環(huán)境交互。”

“因此我們要和三維打交道，二維識別所能做的事，在當前眾多復雜場景中，是遠遠不夠的。但三維重建不是最終目的，而且是要把三維重建和識別融為一體。”

“我們知道，現(xiàn)在AI安防的核心，本質(zhì)上是計算機視覺，而計算機視覺分為兩大部分，分別是識別和重建。”“識別”是現(xiàn)在非常熱門的方向，相比而言，大家對“重建”的理解卻并沒有那么透徹。我們需要知道這一點，計算機視覺不止局限于識別，三維重建在其中扮演的角色甚至更為重要。當前計算機視覺存在的問題，以及為何三維視覺將重新定義計算機視覺，并且重新定義人工智能安防。人工智能的本質(zhì)上是讓計算機去聽、看、讀，在所有的信息里面，視覺信息占了所有感官的80%，所以視覺基本上是現(xiàn)代人工智能的核心。

“在擁有視覺特征前提之下，計算機視覺也只有兩個現(xiàn)實目的，一個是識別，另一個是三維重建。縱使CNN的特征提取能力極其強，但是我們不要忘記建立在CNN基礎上的計算機視覺是單目識別，而人類是雙目。我們的現(xiàn)實世界是在一個三維空間，我們要和三維打交道。拿著二維圖像去做識別，這遠遠不夠。”

編者認為，權(quán)教授指出了清晰的方向，未來的AI視覺應用一定是基于三維空間而不是二維空間，而目前市場上主流的算法還是基于二維單目攝像機的視頻流上。那么三維重建就顯得尤為重要，在自動駕駛領域，恰恰需要的是實時三維圖像重建能力。

權(quán)教授認為，計算機視覺中的三維重建包含三大問題：

一、定位置。假如系統(tǒng)給出一張照片，計算機視覺技術(shù)要知道這張照片是在什么位置拍攝的。

二、多目。通過多目的視差獲取三維信息，識別每一個像素并進行匹配，進行三維重建。

三、語義識別。完成幾何三維重建后，要對這個三維信息進行語義識別，這是重建的最終目的。

權(quán)教授強調(diào)，要把三維場景重新捕捉，但三維重建不是最終的目的，要把識別加進去，所以說最終的應用肯定要把三維重建和識別融為一體。雖然計算機視覺對安防行業(yè)的推動作用很大，但基本也不外乎識別人臉、車、物體等應用，如果計算機視覺得到進一步發(fā)展，安防行業(yè)也將再度被重新定義。

編者認為，數(shù)字孿生（或者說三維視覺）技術(shù)在安防行業(yè)的應用，第一個是大規(guī)模城市界別的三維重建（也就是數(shù)字孿生城市），第二個中規(guī)模應用就是傾斜攝影（無人機拍攝），第三個應用就是建筑群精細化建模（利用BIM或者3D Max這樣的技術(shù)）。

根據(jù)網(wǎng)絡報道，部里曾經(jīng)計劃建設“全國公安地圖服務管理系統(tǒng)（云圖）項目”，核心就是PGIS二期，而GIS應用有一個重要的趨勢就是和雪亮工程和一標三實進行融合。

“一標三實”指的是標準地址數(shù)據(jù)（一標）、實有房屋、實有人口、實有單位（三實），標準地址是城市的基礎信息，三實信息必須構(gòu)建在在標準地址上。當然有的城市構(gòu)建一標六實（比如上海）、有的城市構(gòu)建四標四實（比如廣州）。各地在推進雪亮工程的同時，也在將一標三實工作納入其中，并出現(xiàn)了新的業(yè)務需求。這個新需求就是高精度航空攝影，以及在此基礎上建立的三維地理信息系統(tǒng)（數(shù)字孿生）。

2018年以來，多個類似項目已經(jīng)出現(xiàn)在北京和上海，而且都是千萬級項目。2018年10月，“昌平區(qū)公共安全視頻監(jiān)控建設聯(lián)網(wǎng)應用項目（第四包）”公開招標。該項目的主要建設內(nèi)容包括：傾斜影像數(shù)據(jù)、三維模型單體化數(shù)據(jù)、分層分戶數(shù)據(jù)及三維地理信息系統(tǒng)建設等。預算金額2530萬元人民幣。2019年1月，上海“寶山公共安全三維地理信息系統(tǒng)項目”的招標公告，預算金額1045.1萬元人民幣。從公共安全（GA）系統(tǒng)對三維GIS的需求趨勢來看，與自然資源部最近提出的實景三維中國建設不謀而合。公共管理、公共安全乃至整個國土空間管理領域，其需求正從二維到三維、從抽象到具象演化。

小編總結(jié)，2019年之前的數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展就是實現(xiàn)數(shù)字雙胞胎的能力，也就是完全數(shù)字模擬現(xiàn)實世界，而在2019年之后，數(shù)字孿生的落地應用將會是數(shù)字現(xiàn)實。