《数字孪生体》 哈希解读

《数字孪生体》| 哈希解读

你好，欢迎每天听本书，我是哈希。今天我要为你解读的这本书，叫《数字孪生体》。

你有想过，在数字世界里打造出另一个自己吗？他拥有跟你一样的外形、举止，甚至还有像人一样思考的能力。

这其实就是数字孪生体。虽然在目前，数字孪生技术还没有发展到可以复刻出一个完整人类的程度，但是，现实世界中的很多其他的物理对象已经拥有了自己的数字孪生体。比如，一个人体器官、一个机电产品、一套生产系统、一座工厂，甚至一座城市，等等。

简单来说，数字孪生体就是把物理世界中的一个对象，以数据的形式映射到数字空间当中。它不是对物理对象的简单克隆，而是一套独立于物理对象的数字系统。它不仅能还原本体的内部状态、外部环境，还能跟物理世界进行实时互动。

比如，一架飞机的数字孪生体，能完整地反映这架飞机各个部位的当前状态，以及它现在所处的环境，这些都是实时更新的。如果飞机某个地方出了问题，数据就会反馈这个异常；这个时候，数字孪生体就能对异常情况进行自动处理。这种处理会从数字空间反馈到物理世界，从而解决现实中的问题。所以说，数字孪生体，是一种对接物理世界和数字空间的技术。

数字孪生体这个概念的正式提出，是在2009年，提出者是美国国防部的高级研究计划局（DARPA）。他们认为，这是一套能够实现物理世界和数字空间交互的新技术范式。2012年，美国国家航空航天局与美国空军联合发表了关于数字孪生体的论文，把它列为驱动未来发展的关键技术之一。最早的时候，数字孪生体主要应用在航空航天领域，后来拓展到了工业、医疗、城市管理等多个领域。具体咱们后面会讲到。

2019年，咱们国内成立了“数字孪生体联盟”，这是全球第一个数字孪生体的行业组织。美国和德国的同类型组织都是2020年成立的，比咱们要晚。但是，这也意味着，在2020年，数字孪生体已经开始在国际范围内受到重视。作者说，目前，全球数字孪生体产业已经初具规模。而面对这样一项全球关注的、可能颠覆我们未来生活的技术，咱们普通人也有必要在这个时间节点，对它有所了解。

这本书的作者胡权，是我国工业4.0研究院的院长，数字孪生体联盟的理事长，同时还在国家发改委的数字经济新型基础设施课题中担任数字孪生体工作组的组长。可以说，他是国内对数字孪生体了解最深的人之一了。

在这本书里，他围绕数字孪生体的历史由来、技术支撑和现实应用这几个方面，为我们讲解了，数字孪生体到底是一项怎样的技术，以及它会怎样改造我们所处的社会。

接下来的音频，分为三部分：首先，我们来说说，数字孪生体的运行机理。然后再来看看，为什么作者给数字孪生体的定位是，推动第四次工业革命的一项重要的通用目的技术；在这个过程中，我们会说到数字孪生体在多种现实场景当中的应用，从中你会了解到，这项技术将会怎样改变我们的生活。最后，我们在前面这些内容的基础上更深一步，讲一讲数字孪生体的技术发展路线。

首先我们进入第一部分。在这一部分，我会综合这本书里的内容，还有一些来自国内的“数字孪生体实验室”的补充资料，为你讲述一下数字孪生体的具体运行机理。

还是拿飞机作为例子。想象一下，我们现在要为一架飞机打造一个数字孪生体。那首先要做的，是通过3D扫描技术，把飞机的坐标、色彩、结构等一系列静态信息，转换为计算机能直接处理的数字信号，进行快速建模，并把它们映射到数字空间里。常用的工具是激光雷达或者3D激光扫描仪。目前，3D扫描技术已经比较成熟了。像iPhone 12、13搭载的激光雷达，已经能够把物理空间里的物体转换成数字信号了。

在数字空间建立好飞机的模型之后，下一步要做的是，让数字孪生体跟飞机的真实状态实现同步。这里面要用到的关键工具是物联网，它一方面能把飞机的状态数据实时传递给数字孪生体，比如飞机所处的天气环境，机翼受到的阻力，飞机燃料消耗情况、机舱内氧气含量和气压等；另一方面能帮数字孪生体向飞机发送指令，比如停止、加速或者调节飞行角度，等等。

好，现在，数字孪生体的“身体”就基本搭建好了，接下来要给它搭建大脑了。你可以把数字孪生体的大脑也想象成跟人类一样，是分为左右两个半球的。

我们知道，人类的左脑给了我们理性思考的能力。只要给你充足的信息，你就能通过逻辑推理，作出一个对于自己来说比较理性的判断。而数字孪生体也能通过模拟仿真，获得这种能力。模拟仿真技术能把一架飞机在各种状态下的运行规律都转化为数据模型，储存起来。这样，数字孪生体只要知道飞机当前的内外状态，就能知道它下一步该怎么运行。

所以总结来说，模拟仿真是基于完整的信息和明确的机理，来帮数字孪生体进行思考的，这构成了数字孪生体的左脑。而它的右脑，可以帮助它，基于不明确的机理进行思考。比如，在遇到一些突发状况的时候，仅仅依靠飞机自身的运行规律，是没办法判断下一步要怎么做的，需要外部的力量来帮助它进行思考。那这里就要用到数字孪生体的右脑了。支撑它右脑运转的技术，是人工智能。

我们知道，人工智能是基于大数据发展起来的。通过对大量数据的学习，机器能模仿出人类在遇到一些特定情况时的思维过程。所以，人工智能可以在一定程度上赋予数字孪生体自主思考的能力；这样，面对突发状况，它就能代替人工，向飞机发出下一步的行动指令。这种由人工智能赋予的、开放式的思考能力，是数字孪生体最关键的技术特征之一。

好，接下来这一部分，我们说说，为什么作者给数字孪生体的定位是，推动第四次工业革命的一项重要的通用目的技术。这里面出现了两个关键词，第四次工业革命，还有通用目的技术。咱们一个一个来说。

先来说说什么是第四次工业革命。第一次和第二次工业革命我们都熟悉，它们先后为人类带来了蒸汽动力和电气动力，实现了工业的机械化、电气化。后来，计算机技术推动了第三次工业革命的发生。在这次革命中，我们实现了计算机软件跟物理设备的结合，也就是说，人们可以通过编程等方式，来控制机器了。很多人会把第三次工业革命称作“信息化革命”。

那第四次工业革命呢？作者说，这次革命的核心特征，是智能化。在过去，我们想要控制一套机器系统，得通过计算机给它下达指令；机器出现异常了，得人工修复。但是在智能化时代，机器系统能脱离我们手把手的控制，在一定程度上实现自主决策，遇到一些异常情况也能进行自主处理。

说到这里，你可能也已经想到了，我们前面说过，数字孪生体最关键的技术特征之一，就是由人工智能赋予的、开放式的思考能力，而这正是第四次工业革命要实现的“智能化”。所以，把数字孪生体称为是推动第四次工业革命的一项重要技术，还是有些道理的。

不过，别忘了，作者在“技术”这两个字前面还加了一个定语。他说的是“通用目的技术”。

什么是通用目的技术呢？简单来说，就是适用于多种现实场景、能推动经济整体增长的技术。比如，像第一次工业革命里的蒸汽动力技术，第二次工业革命里的电力技术，第三次工业革命里的计算机技术，都属于通用目的技术。作者认为，在第四次工业革命中，人工智能，还有数字孪生体，也属于通用目的技术。

人工智能属于通用目的技术，这很好理解。毕竟，我们已经能够见到它在各行各业的应用了。不过，到数字孪生体这里，我们前面只说了怎么给飞机打造一个数字孪生体，还没有讲它在其他领域的应用。

这本书告诉我们，数字孪生体的应用范围非常广，小到一个发动机、一个人，大到一座工厂，甚至一个城市，都可以通过数字孪生体实现智能化。

比如，对于飞机、汽车来说，最容易出现故障的部位可能就是发动机了。传统的做法是，通过定期的检修来避免故障的发生，尤其是飞机，需要比较高的检修频率。但是，这样做的成本比较高，所以人们就开始寻找新方法来解决这个问题。数字孪生体是目前比较有效的一种手段。它能通过采集动态数据，实现对发动机的实时跟踪和维护；还能根据环境的变化，自动调整发动机的参数。目前，通用电气、特斯拉等多家公司已经开始开展这样的业务了。

给发动机搭建数字孪生体，能对发动机进行更好的养护；给人体搭建数字孪生体，也有类似的作用。作者告诉我们，目前，清华大学医学院的教授已经在开展数字孪生人体的实践项目了。他们主要在做的就是，对人体进行数字建模，采集人体的大量数据，然后通过人工智能对数据进行深度学习，以实现对人体健康状况的跟踪和分析。

除了学者们以外，一些嗅觉敏锐的企业也开始涉足这方面业务了，不仅有针对人体整体健康的监测项目，也有一些针对局部器官的数字孪生体项目。比如，我在这本书之外了解到，跨国软件公司达索系统，有一个非常著名的项目叫数字心脏。项目人员通过研究心脏怎么泵送血液，怎么通过生物电控制肌肉纤维，怎么对药物产生反应，等等，构建出了一个能够还原出人类心脏的真实运行状态的数字心脏。这个数字心脏有很多作用。比如，它可以帮助医生进行手术预演、规划手术步骤，帮助医学院更高效地开展复杂医学手术和解剖教学，帮助医疗设备制造商开展药物或医疗器械的仿真实验、缩短产品的研发周期。

除了心脏以外，大脑的数字孪生体也已经在临床上创造了许多新价值，比如，帮助人们开展大脑物理创伤的治疗，提高精神类疾病的治疗精准度，提高老年痴呆症、脑萎缩等疾病的治疗效率，等等。

除了器官、人体、发动机、飞机等等这些个体以外，数字孪生体还可以应用在一些更复杂的系统上。比如，对于一些大型建筑，还有工厂来说，它们的数字孪生体不仅可以用来对物理本体的运行状况进行监测、维护，有的时候还会先于本体被制造出来。因为在建立工厂、建筑的过程中，专家们可以利用数字孪生体进行模拟仿真试验，测试各种设计的运行效果，从而确定最佳的设计方案。比如，敦煌文博会的场馆，从整体结构，到内部软装，再到各种音响、灯光，全程仅用了8个月时间就建造完成，这正是因为，他们预先在数字空间中建造了仿真模型，并做了大量的计算、仿真、声学分析。

还有，在交通领域，数字孪生体也有很重要的作用。我在查阅外部资料的时候，看到了腾讯给城市交通搭建数字孪生体的过程，很有意思。他们先是基于自己的地图数据，还原出整个城市的楼宇、道路等主体要素，然后再去还原树木绿化、公交站台、交通标记这些静态元素。有了这些之后，接下来就是车辆、行人等动态元素了。不过，这些动态元素，并不是模拟出来的或者随机生成的。他们的做法是，通过路测摄像头，实时采集真实道路监控中的影像，把影像中的车辆、行人都转化为数据，再把这些数据“提取”出来、进行模型化，之后同步融入到数字孪生环境中。这样一来，实时的交通流大数据，在数字空间就被真实还原了。

交通数字孪生体搭建完成之后，我们就像是拥有了洞察城市交通实况的“上帝视角”，那接下来可以做的事情就很多了。比如，我们可以基于虚拟环境，为救护车、消防车等紧急车辆提供动态的路线规划，这会比目前导航仪中的路线规划要快捷精确得多；还可以模拟出在交通事故、大型活动、灾害天气等压力事件下的车流变化，测试交通路网的承受能力，帮助城市交通主管部门制定应急预案，等等。

好，刚才我们讲了数字孪生体的很多应用场景。从体量来看，从一个小小的器官，到一架飞机，再到一整套复杂建筑，甚至一个城市，都可以拥有自己的数字孪生体。从领域来看，从航天到医疗，从工业到交通，都能通过数字孪生体提升智能化水平。所以，作者把它称为一种“通用目的技术”，也就可以理解了。

那么，既然如此，在未来，我们是不是可以将大大小小的现实场景，都在数字空间里搭建出孪生体呢？

答案是，否定的。

诶，这是为什么呢？前面不是刚说了，数字孪生体是一种“通用目的技术”吗？

下面我们就来展开说说。不知道你还记不记得，之前我为你解读过一本《区块链的真正商机》。当时我们在讲区块链技术的应用场景的时候，曾经强调过一句话，“创新的本质，是用更低成本解决现有问题。”这句话反过来说就是，如果在某个场景里，使用新技术所带来的收益，还赶不上它所增加的成本，那么，其实就没有必要引进新技术。如果引进了，也很可能是一种浪费资源的“伪创新”。这是基本的成本收益权衡，是几乎所有技术落地都要遵循的经济原则。对于数字孪生体这项技术来说，自然也不例外。比如，简单的骨折手术，靠X光就能掌握足够的信息，就没有必要构建数字孪生体；还有，建造一栋办公楼，现有经验比较成熟，涉及的技术也不复杂，也没必要引进数字孪生体技术。

综合书里关于数字孪生体的应用场景的讲述，我们可以发现，所有数字孪生体，最基本的一个作用是，在数字空间里对物理空间里的真实本体进行模拟。而之所以要模拟，主要有两种原因，一是需要对真实本体进行持续监测，在发现异常时第一时间作出反应，比如发动机、交通系统，等等；第二种原因是，构建或修复物理本体的过程存在不确定性，但又不能直接在物理本体上进行试错，比如一些设计复杂的工厂、建筑，等等。

这两种原因有的时候会同时存在。比如，人体系统或城市系统，既需要持续监测健康状况，同时又是独一无二的，不支持物理复制，没有试错的机会。所以，我们需要在数字空间里给它们构建一个孪生体，进行试验、试错、监测，以提升对它们的管理效率。

好，在上一部分，我们主要讲的是，为什么作者给数字孪生体的定位是，推动第四次工业革命的一项重要的通用目的技术。过程中，我们还讲到了数字孪生体的很多应用场景。不过，你可能也感受到了，在这些应用场景里，数字孪生体的技术侧重点是不同的。有些是侧重模拟仿真，好确定最佳的设计方案；有些是侧重数据收集、动态追踪，好时刻监测本体的状况；有些则是侧重孪生体自己的智能决策，好在没有人工参与的情况下，及时处理突发状况。

作者告诉我们，这些不同的技术特点，其实反映出的是它们“数字孪生化”水平的不同。书里把数字孪生化水平分为五个阶段。接下来我们就在前面内容的基础上，具体讲一讲这五个阶段。掌握了它们，我们也就掌握了数字孪生体最主要的技术发展路线。

第一个阶段，叫三维几何模型。它关注的是，让现实中的物理对象在数字空间里实现“可视化”。比如，对于一架飞机来说，就是把它的几何尺寸和外观还原出来；对于一套管理系统来说，就是把进行管理决策所需要的各项数据都呈现出来，类似于现在很多公司都在用的、实时展现各项业务数据的公共屏幕；对于一座城市来说，就是把城市的主要元素映射到数字空间里，展现出城市各维度的全貌。这是最基础的一项技术要求。

第二个阶段，叫三维仿真模型。它是在三维几何模型的基础上，又加入了模拟仿真技术。比如，光在数字空间里搭建出飞机的样子还不够，还得让它在数字空间里飞起来；也就是说，它从启动到飞行的整个运行过程，要遵循现实中飞机的运行机理。这就需要融合空气动力学、结构力学、电磁学等多个学科，完成对于飞机运行机理的仿真模拟。

第三个阶段，叫增强仿真模型。这个阶段的数字孪生体，既需要考虑物理对象本身的数据建模，还需要考虑场景或环境的建模。比如，汽车、飞机的数字孪生体，不仅要考虑它们本身的构造、性能，也要考虑它们是在什么样的环境中行进，可能遇到什么样的外界状况。通过两者共同的数字孪生化，形成一个完整的数字孪生系统。作者说，对环境的数字孪生化，是建立物理世界和数字空间交互的关键，也是目前数字孪生化面临的一个难点。

好，到这里，我们已经说完了数字孪生化水平进阶的前三个阶段。经过这三个阶段，数字孪生体已经在静态上满足了跟物理对象的相似。不过，如果仅仅是到这个水平，那么只靠传统的仿真技术就可以实现了。而数字孪生体跟传统仿真最大的不同就在于，它并不是对物理对象的一个静态的复刻，而是要让这个孪生体也能自己“动”起来，要赋予它生命。而做到这一点，关键要靠“动态数据驱动”。也就是，让实时的数据像血液一样，在仿真模型的体内流动起来。

要做到这种程度，肯定不能靠人工手动更新数据，需要通过数据自动化来替代人的角色。所以，这要求物理对象先实现数字化转型，让物理对象从建造到运行的生命全流程都可以用数据表达。这就是一个为数字孪生体“造血”的过程。这样之后，再通过物联网等方式，把这些“血液”实时输送到数字孪生体里。这个时候，数字孪生体也就从一个静态的仿真模型进化到了一个有血有肉的动态仿真模型。这就是数字孪生化的第四个阶段——动态孪生体。

这种动态数据驱动的仿真模型，已经拥有了一些简单的“思考”能力。比如，当一座山遭遇山火的时候，人们不仅能够通过它的动态孪生体，对它进行实时观察，还可以跟随数据的更新，预测出山火扩散的态势，抢先一步采取措施。

好，说完了数字孪生化的前四个阶段，接下来是最后一个阶段，叫自主孪生体。这一阶段最关键的技术我们之前也提到了，是人工智能。在人工智能的帮助下，数字孪生体可以在前面“有血有肉”的动态孪生体的基础上，更进一步，变得拥有智慧。

“拥有智慧”主要指的是，它能够应对“不确定性”。具体来说，如果是一个没有智慧的动态孪生体仿真模型，它只能解决以前经历过的问题，或者能预测到的问题，而对于那些“不知道的未知问题”，就没有办法了。但是，一个拥有智慧的数字孪生体，并不需要事先针对所有可能出现的情况都设计好预案，而是能够包容各种不确定性。这意味着，它首先要承认“不知道的未知问题”的存在，然后通过对于大量数据的学习，构建起自我感知和修复的能力，从而根据实际情况调整运行状态。

这个过程，跟我们人类应对不确定性的方式很像。我们的头脑其实就像是一个大大的“数据库”，我们过往的经历，以及从外界接收到的各种信息，都沉淀在里面。在我们不断地吸收、学习这些数据的过程中，我们的智慧也在与日俱增。当我们在遇到一些以前从未遇到过的问题的时候，这些智慧能支撑我们作出判断，调整自己的状态。而一个“有智慧”的数字孪生体，也应该能够做到这些。

不过目前，绝大多数数字孪生体还都停留在前四个阶段，没有进入像这样“拥有智慧”的第五阶段。要进入这一阶段，需要动态数据驱动，还有人工智能等新一代技术的参与。作者说，其中动态数据驱动这个环节，是目前数字孪生体搭建的主要难点所在，也是过去十年来，专家学者们力求突破的地方。

好，以上就是《数字孪生体》这本书里，我想跟你分享的重点内容。除了这些以外，书中还讲了数字孪生基础设施、数字孪生体标准和数字孪生体“降维策略”实施指南等专业性更强的内容，感兴趣的朋友可以点击文稿末尾的电子书，进行拓展阅读。

总结一下：我们今天先是讲了数字孪生体的基本原理；然后讲了，为什么作者给数字孪生体的定位是，推动第四次工业革命的一项重要的通用目的技术。在这个过程中，我们还讲到了数字孪生体的很多应用场景。

最后，我们在这些内容的基础上，梳理了数字孪生化水平的五个阶段，分别是三维几何模型、三维仿真模型、增强仿真模型、动态孪生体，还有自主孪生体。总体来看，在这里面，前三个阶段都还属于传统的仿真模型范畴，并不算是一个真正的“数字孪生体”。而动态孪生体和自主孪生体对应的第四阶段、第五阶段则需要动态数据驱动，需要人工智能等新一代技术的参与。

目前，“数字孪生”已经在越来越多的国家、城市受到关注。比如，我国2018年发布的《河北雄安新区规划纲要》里面就提到，要“坚持数字城市与现实城市同步规划、同步建设，打造具有深度学习能力……的数字城市”，之后还提出要以数字孪生城市的预建、预判、预防来支撑实际城市的具体建设工作。除此之外，在海南、贵阳、南京等地的政府工作报告中，也出现了利用“数字孪生”来加强城市管理的计划。

在国际上，2020年以来，一些国家已经把数字孪生上升为国家战略。英国发布了《国家数字孪生体原则》，阐述了构建国家级数字孪生体的价值、标准、原则及路线图；美国的工业互联网联盟把数字孪生作为工业互联网落地的核心和关键，还组建了数字孪生联盟；德国“工业4.0”参考框架也把数字孪生作为重要内容；新加坡率先搭建“虚拟新加坡”平台，用于城市规划、维护和灾害预警项目；法国也在推进数字孪生巴黎建设，打造数字孪生城市样板。诸如此类的例子还有很多。

从这本书里，我们能够体会到，“数字孪生体”这项技术，之所以能在全世界范围内受到关注，并不是因为它看着新奇，或者听着好听，而是因为能够切实地降低人们解决现实问题的成本；它的每一个技术阶段、每一个技术特征，都是从人们的现实需求中生长出来的。从本质上看，它并不是一项帮我们把现实世界搬到数字世界的技术，而是一套帮助现实世界变得更好的解决方案。而这也是几乎所有技术创新都需要坚守的价值原点。

以上就是这本书的精华内容。你可以点击音频下方的“文稿”，查收我们为你准备的全文和脑图。你还可以点击“红包分享”按钮，把这本书分享给你的朋友。

恭喜你！又听完了一本书。

划重点

1. 数字孪生体是推动第四次工业革命的一项重要的通用目的技术。

2. 数字孪生化水平的五个阶段：三维几何模型、三维仿真模型、增强仿真模型、动态孪生体、自主孪生体。

3. 从本质上看，数字孪生体并不是一项帮我们把现实世界搬到数字世界的技术，而是一套帮助现实世界变得更好的解决方案。而这也是几乎所有技术创新都需要坚守的价值原点。