陈根：揭秘“雷神山”背后，一场新生产要素的变革即将来到_风闻

文/陈根

一直以来，科幻作家们都乐此不疲地想象另类现实和平行世界：当宇航员在遥远的外太空执行一项紧急的舱外修复任务时，在没有时间和空间进行观察，也没有经验可以借鉴的情况下，却通过操作涉及的各项参数、外部环境、时间、温度整合在一起，模拟出一个和现实一模一样的虚拟环境，找出最佳的操作方式在规定时间内完成舱外修复任务。

这些我们曾经幻想的遥远的科幻世界，却已经悄然走进我们的生活。今天，我们正在以数字形式构建它们。

根据研究集团IDC的数据，到2025年联网设备的数量预计将增长到420亿台；有鉴于此，我们正在迅速进入“超数据”时代。这些设备中的每一个都会发出持续的数据流，使我们能够构建一团环绕地球的数字云**，即我们可以创造现实世界的“数字孪生”，或者说人类将构建出一个数字孪生地球。**

相信很多人都听说过数字孪生。在过去几年，这个词的热度不断攀升，频繁出现在各大峰会论坛的演讲主题之中，备受行业内外的关注。**而数字孪生这项神秘的高端技术由于其最开始只是应用于航天航空及国防军工等领域，因此在我们民用领域就显得有一定的陌生感。**那么，这个听起来神秘又玄乎的数字孪生究竟是什么？它是谁提出来的？它又会给我们的生活带来什么样的改变？

数字孪生的前世今生

**数字孪生，顾名思义，就是“数字双胞胎”，或者理解为物理实体在虚拟空间里的数字镜像。**根据国际统一的定义，数字孪生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。

简单来说，数字孪生就是在一个设备或系统的基础上，创造一个数字版的“克隆体”。这个“数字克隆体”被创建在信息化平台上，是虚拟的。与电脑的设计图纸又不同，相比于设计图纸，数字孪生体最大的特点在于，它是对实体对象的动态仿真。也就是说，数字孪生体是会**“动”**的，并且是实时的动态监测仿真。

数字孪生体“动”的依据，来自实体对象的物理设计模型、传感器反馈的数据，以及运行的历史数据。实体对象的实时状态，还有外界环境条件，都会复现到“孪生体”身上。

**数字孪生这一概念诞生在美国，时间是公元的2002年，由密歇根大学教授迈克尔·格里夫斯提出。**迈克尔·格里夫斯教授在产品全生命周期管理课程上提出了“与物理产品等价的虚拟数字化表达”的概念：一个或一组特定装置的数字复制品，能够抽象表达真实装置并可以此为基础进行真实条件或模拟条件下的测试。该概念源于对装置的信息和数据进行更清晰地表达的期望，希望能够将所有的信息放在一起进行更高层次的分析。

而将这种理念付诸实践的甚至是早于理念提出的美国国家航天局（NASA）的阿波罗项目，在该项目中，NASA 需要制造两个完全一样的空间飞行器，留在地球上的飞行器被称为“孪生体”， 用来反映（或做镜像）正在执行任务的空间飞行器的状态。

在飞行准备期间，被称为“孪生体”的空间飞行器被广泛应用于训练；在任务执行期间，利用该“孪生体”在地球上的精确仿太空模型中进行仿真试验，并尽可能精确地反映和预测正在执行任务的空间飞行器的状态，从而辅助太空轨道上的航天员在紧急情况下做出最正确的决策。从这个角度我们也可以看出，“孪生体”实际上是通过传感器监测+仿真，实时反映对象的真实运行情况的样机或模型。**而区别于传统意义的仿真在于，数字孪生不是简单的仿真，而是真实物理空间实体或对象的“真实”复制，或者说镜像。更重要的是这个数字化孪生体具有实时检测、跟踪反应真实物理实体的状态。**通俗的说就是真实物理实体的数字化双胞胎。

揭秘“雷神山”背后

讲到这里，依旧会有人觉得数字孪生离我们的生活还是太遥远了，其实不然。最近在纽约，微软首席执行官萨蒂亚•纳德拉描述了这些数字孪生的好处，他将此称为最大的科技趋势之一。

英国零售商玛莎百货越来越多地使用店内传感器来创建其零售空间的数字孪生，通过使用这些数据模型来优化其商店的物理布局，监控其冻肉冷藏库的温度，并密切关注结账处的排队情况。

而在2020年中国刚刚过去的疫情中，闻名世界的雷神山医院之所有能以“神速”完美建成，其核心关键就是利用了数字孪生技术进行设计与建造。

中南建筑设计院（CSADI）临危受命，设计了武汉第二座“小汤山医院”——雷神山医院，中南建筑设计院的建筑信息建模（BIM）团队为雷神山医院创造了一个数字化的“孪生兄弟”。采用BIM技术建立雷神山医院的数字孪生模型，根据项目需求，利用BIM技术指导和验证设计，为设计建造提供了强有力的支撑。

数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。

工业互联网是绝对的第一大场景，比如机器安装、产线安装，建立一个生产环境的虚拟版本，整个环境都是要用数字化的方式来描述。这迎合的是工业互联网的产业数字化大背景。

在该技术之下，工程师不仅能看到产品外部变化，更使内部零件动态的观察成为可能。例如，通过数字3D模型，我们可以看到汽车在运行过程中发动机内部的每一个零部件、线路、各种接头的每一次变化，从而可以对产品进行预防性维护，这也就可以避免类似波音737MAX8客机坠机带来生命损毁的悲剧。

目前主流的西门子、GE、施耐德等厂商早已在使用这套技术来优化工业流程。

一直以来，**有个“工业领域 1%的革命”说法：**生产效率提升1%，成本减少300亿。这可以通过GE公司的 245000美元的故事说起。

在GE的工厂里，发电厂的汽轮机推力轴承改变了位置，使汽轮机的轴向位移从-0.29 mm变为-0.445mm。这个移动量等于单个睫毛的宽度，并且仍在安全的操作参数范围内。但是，汽轮机要承受极端的温度、压力和作用力，即使微小的变化也可能造成巨大的损失。

但是在没有干预的情况下，止推轴承将继续移动，轴向位移继续移动。等到工厂控制中心响起警报并发现偏差时，损坏已经造成：涡轮机必须脱机、零件将需要更换、电力生产数据将丢失。而电力生产商的总成本是 245000美元。

位于巴黎的GE 数字工业管理服务中心的工程师使用汽轮机的“数字孪生系统”观察到了偏差，并进行了提前预测，确保巨大损失无从发生。

截至2018年，GE已经拥有120万个数字孪生体，可以处理300000种不同类型的设备资产。此外，据Gartner称：“到2021年，一半的大型工业公司将使用数字孪生，从而使这些组织的有效性提高10%。”

新生产要素的变革即将来到

随着工业互联网的应用推进，数字孪生被赋予了新的生命力，工业互联网延伸了数字孪生的价值链条和生命周期，凸显出数字孪生基于模型、数据、服务方面的优势和能力，打通了数字孪生应用和迭代优化的现实路径，正成为数字孪生的孵化床。

但对于一项技术而言，城市场景更加宏大，从工业走向城市，从城市走向生活的场景也是必然趋势。据预测，到2022年，85％的物联网平台将使用某种数字孪生技术进行监控，部分城市将率先利用数字孪生技术进行智慧城市的管理。

在国内从业人员看来，目前在民用领域，数字孪生主要在地理信息这个行业发生催化作用，比如用无人机群为城市提供基于图像扫描的城市数字模型，街道、社区、娱乐、商业等各功能模块都将拥有数字模型。

这个在当前部分城市已经实现，深圳市从 2018 年 12 月开始就启动了全市的虚拟城市环境数据采集工作，总共分一期和二期两个阶段，一期是从 2018 年 12 月开始，二期是从 2019 年 4 月份开始，预计将在今年年底完成相关工作。

这种模式下，数字化将进入电力线、变电站、污水系统、供水和排水系统、城市应急系统、Wi-Fi网络、高速公路、交通控制系统等所有看见或看不见的地方，而城市管理将更加轻松可控。  

 数字孪生代表了继搜索和社交媒体之后的互联网“第三波浪潮”，而不论是5G还是大数据、物联网，或者智慧城市、智慧医疗、智慧农业、智慧工业等，真正要实现智慧的核心就是基于数字孪生技术的系统管理。而我在**《数字孪生》一书中，也曾明确提出数字孪生技术是未来实体产业的基石，是一项产品全生命周期管理的颠覆性技术，不论是制造业、建筑业，还是航空航天领域，包括医疗领域，都会因数字孪生技术而发生革命性的变化。**

而今天不论是5G、人工智能、大数据、区块链等技术，都只是一种生产资料的变化，让人类社会的生产效率更高效。但数字孪生技术之所以会带来革命性的变化，其核心原因在于其不是生产资料的变化，数字孪生技术是一场现代工业的新生产要素的革命。