编者按：本文来自微信公众号 立方知造局（ID：m3zhizaoju），作者：刘铮，编辑：小材，创业邦经授权发布
“2个小区里都发现确诊案例”。2021年底，确诊消息连夜传到上海浦东花木街道，值班人员迅速将封闭小区的户主人数、小区精确地形图等信息发送至疾控中心。
很快，核酸检测的试剂数量能确定了，小区中核酸检测点、工作人员休息处等空间划分方案也生成了。接下来，小区沿街店铺负责人的电话被打通——集中隔离。
这个面积20.93平方公里的街道能快速响应防疫抗疫，靠的是一个隐形的世界——花木街道的数字孪生。
数字孪生是对现实世界的实时模拟、监测，能在数据中对现实世界进行分析和预判，在虚实之间，构建一种一一对应的关联。
在这套系统中，花木街道8924幢建筑被精准记录，近十万件包括窨井盖、电话亭、市政箱体、路灯立杆等公共设备也在虚拟城市中被精确映射。
近期魔都疫情反反复复，但数字孪生提升了疫情防控的响应速度。两年前，武汉封城时，也正是数字孪生模拟现场工序，拼装出隔离病房结构，最终创下10天建成雷神山的奇迹。
雷神山隔离病区的数字孪生 图源：华中建筑
在新冠疫情期间临床试验中，也有数字孪生体代替人类志愿者进行实验，用较低风险获得精确结果。
可以说，今天的数字孪生正逐渐包圆你的衣食住行，也维续着疫情下的秩序。立方知造局将以9个问题和你一起走近数字孪生和它带来的未来想象。
01. 什么是数字孪生？
数字孪生将现实世界中的人、物理实体或过程实时数字模拟，形成一个孪生体组成的虚拟世界。
它还有个更容易理解的名字：数字镜像。
在了解数字孪生之前，需要厘清楚一个相近的概念——物理仿真。物理仿真同样需要用到计算机软硬件模拟现实世界，用来计算数值、求算结果，但这个过程可以通过离线解决，不具备数字孪生的实时性，也无法给出分析、优化物理世界的决策功能。
技术上：
与现实世界实时仿真，数字孪生需要用到5G技术；要参与分析、优化等决策，数字孪生则需要AI、大数据、云计算的加持。
如今5G商用，AI开始普及，数字孪生有了实时仿真的前提，也有了撑起更多应用的臂力，最终从概念走到了前台。
效用上：
目前数字孪生能起到快速响应、降本增效的作用。比如制造业场景中，被称作现代工业明珠的汽车工业，就用到了数字孪生。
3000多类、3-5万个零件，经过200多种加工工艺，最终制成一辆车。每个步骤的失误，都可能不断叠加一辆汽车的故障。
在一汽红旗的车间里，有一条数字孪生产线，大至流水线状况，小至拧螺丝力度，都会被记录在数字孪生体中。一旦出现汽车故障，数字孪生体可以回溯生产数据，快速分析出原因。
数字孪生落地场景除了制造业，还伸向智慧城市、智慧医疗等领域。
02. 数字孪生产业的玩家有哪几类？为什么互联网大厂也要掺一脚？
数字孪生产业可分为三层：基础层、平台层、应用层。
基础层：主攻数据采集、发送、可视化技术，支撑起数字孪生核心架构；
平台层：为制造、能源、医疗等领域搭建数字孪生平台；
应用层：为更细分的应用场景提供服务。
互联网企业有着擅于搭建平台、打造软件应用的优势和特性，因此更多作为平台层与应用层的一体化集成商出现。
（点击可放大观看）制图：立方知造局
注：本图中的企业遴选标准为：该企业从事与此技术相关的业务；囊括该技术的所有核心企业及其他主要企业
以BATH（百度、阿里、腾讯、华为）为代表的中国互联网大厂，业务模式还延伸至基础层——他们都布局了云计算业务，并或多或少涉猎人工智能、物联感知。其中华为还在网络通信、智能终端上有所布局。
这缘起于2012年住建部试点开展国家“智慧城市”工作以及2015年国务院政府报告的“互联网+”。互联网大厂通过布局云计算、大数据、AI及IOT等技术，给出了“智慧城市”解决方案，形成一定底层技术优势。
在互联网人口红利见顶，消费互联网用户饱和之后，互联网大厂继续开拓一片新的业绩增长市场，往To G、To B端迈步。
数字孪生就像一个足够大的壳，互联网企业能够将现有优势套装进去，再利用它撞开全新增量市场的大门。
不过，如图所示，互联网企业在组成数字孪生产业的各个领域中，只是一小部分。数字孪生与产业互联网有着类似的特质——江湖很大，细分领域能容纳更多玩家。
数字孪生专精特新企业 信息来源：企查查 制图：立方知造局
03. 数字孪生市场究竟有多大？中国的数字孪生市场有多大潜力？
2021年全球数字孪生市场规模在74.7亿美元，换算人民币不到500亿元，还是一片蓝海市场。到了2025年，预计全球数字孪生市场规模将达到264.6亿美元（1684亿元人民币）。
数据来源：觅图咨询 制图：立方知造局
千人千面市场潜力在不同领域也呈多变，数字孪生实际应用几乎延伸到生产、生活的每一个场景。
我们选取几个侧面来看看中国的数字孪生市场潜力：
智慧城市
2019年，中国新型智慧城市规模已超过9000亿元人民币，预计到2023年市场规模将超过1.3万亿。
智慧医疗
2020年，中国智慧医疗行业已突破千亿元大关，2021全年规模超过1200亿元，预计在2022年将达1500亿元以上。
智慧出行
2020年，中国智慧出行市场规模为3547亿元，2025年预计将翻一番，达到7000亿元。
图源：《数字孪生应用白皮书》
04. 为什么美国、德国的数字孪生应用主要在工业领域，而中国更火热的赛道是数字孪生城市？
数字孪生最终目的，是让人们通过调控虚拟世界来指挥现实世界。然而在不同领域，需要的基础技术又是“千人千面”。
目前，美国、德国数字孪生的应用主要在国防、军工上，中国数字孪生在智慧城市的普及率处于全球领先水平。
先来看看工业数字孪生，架构的最底部是“连接层”：采集感知、反馈控制，也就是IOT和工业软件——“卡脖子”又出现了。
先来看看先发者们如何建立工业数字孪生优势的：
美国：先进装备经验
依托航空航天的基础，空客、洛克希德马丁、Space X等积累了丰富的应用数据和模型，用以持续优化数字孪生精度。政产研结合上，微软、ANSYS、戴尔等企业又为数字孪生提供基础建模工具。
德国：工业软件优势
西门子用十年时间、100多亿美元收购了几乎全类工业软件，并且集成到自家的Mindsphere工业互联网平台。有了这个基础，西门子的工业数字孪生能实现虚实映射，还能凭借工业自动化完成闭环控制。
目前中国在先进装备、工业软件两个领域仍处于突围阶段。中国在5G、大数据、AI和云计算等技术上相对成熟，对应工业上数字孪生的角色是虚拟仿真、监测分析。这两个功能更契合数字孪生城市的应用场景。
应用端：作为智慧城市的基础建设，电子政务、智慧出行、智慧医疗等服务都集成在城市数字孪生体中，然后以人工智能作为服务工具，实现“降本增效”，摆脱了“效率提升需要更多人，人一多效率又会变低”的恶性循环。
技术端：需要城市信息模型、实景三维城市、物模型、城市仿真等技术，看起来数量更多，但可以多线发展，且最终都能实现数字孪生城市。而互联网企业早在2015年就相继发布“智慧城市”解决方案，随着政策逐渐细化，与数字孪生的重合度也更高。
数字孪生城市 图源：pixabay
数字孪生显然不是一场苍白炫技，中国的数字孪生城市是由政府主导，为解决迫在眉睫的“大城市病”，而进行声势浩大的新基建工程。
在B端，数字孪生及其支线产业互联网，正在帮助传统行业面向数字化提高生产力；
在C端，智慧城市、智慧医疗、智慧出行，将便利人们的生活、关注个体的健康和舒适等方面。
目前我们在制造领域的卡脖子情况只是暂时的，数字孪生生产模式下的工业软件开发，让中国走在一条换道超车的道路上
05. 为什么说数字孪生能让中国工业软件实现换道超车？
工业软件是中国成为制造业强国的软肋，很多关键环节国产工业软件占比不足5%，自主版权的软件和平台系统依然缺位。工业软件需要技术积累，后发者中国的国产突围道阻且长。
数字孪生是制造业转型的必经之路，也带出工业软件对智能化生产的新需求——与AI、VR/AR等技术的捆绑。
与数字孪生耦合的技术 制图：立方知造局
理想状态下，未来工厂生产一款产品要先在数字孪生上模拟，通过不断调整参数、改变原料配比、改进生产方式及设计，最终在现实世界车间量产。
在这样的前提下，生产制造从工业3.0的数字化走到了智能制造的工业4.0，对应的工业软件除了仍需依靠物理世界中的工业知识、工业机理、工业模型、工业数据等积累外，还需要和虚拟世界中的新技术嵌套。后者要用到的5G、AI、大数据、云计算，中国处于领先的地位。
这给出国产工业软件突围的一条新思路——从长板出发，补足“工业课”短板。
中国是全世界唯一拥有全部工业门类的国家，还有着丰富的制造业应用场景和市场。
在新型工业软件的研发中，中国与其他国家站在更近的起跑线上，在虚拟世界积累的经验和knowhow，给了工业软件突围换道超车的曙光。
06. 数字孪生和产业互联网有什么关系？
先说结论：产业互联网是数字孪生的摇篮，数字孪生是产业互联网的支柱。
产业互联网下的工业互联网，可以说是数字孪生的“股东”。
产业互联网指南针模型 图源：觅途咨询
数字孪生的实现，依赖于各种工业软件，尤其是仿真软件；在数据的收集上，也通过细分领域的工业APP进行，并在其中存储、沉淀——这里的工业APP，就是数字孪生的应用层。
工业互联网这个平台，能让数字孪生体持续在线，与真实的工业场景建立交互，得到应用；同时用大量模型、数据喂饱了数字孪生技术，帮助其迭代升级，以及更广阔的应用场景。简单地说，工业互联网赋予数字孪生更长的价值链。
而数字孪生的优势在于实时且高度写实的数据和分析，通过大数据和云计算，将工业互联网里碎片化的信息传输到工业APP上，为工业互联网的高效运作提供保障。
目前数字孪生应用落地的难点，主要在先找到“组织”——各行业里的产业互联网，快速得到大量数据，进而向更细分的领域拓展业务。
07. 为什么说现在的数字孪生概念还不是完全体？
先来看一个乐观的观点：
数字孪生是继搜索和社交媒体之后的互联网“第三波浪潮”，是未来实体产业的基石。
然而数字孪生目前仍有缺憾，应用领域看似五花八门，实际应用方式只有两种：虚拟仿真和监测分析。
虚拟仿真：物理本体向孪生体输出精确全面的数据，减少误差；
监测分析：孪生体将精准的信息反馈给物理本体，做出正确干预。
“浪潮”被孕育出来，仍要继续向前。AI是接下来推动数字孪生的关键力量，需要经过决策孪生、智能孪生两个阶段。
决策孪生：AI通过不断地学习、模拟，能够为决策者提供有价值的参考和建议。
智能孪生：AI具有精准判断和自主控制能力，也可以为人提供解决问题的新视角，实现“大数据思维”——这也是现在各种智慧工程期望完成的终极目标，而真正的“降本增效”要从这里开始。
08. 未来数字孪生将怎样包圆你的生活“产业链”？
数字时代，人将上升到管理者的角色，但不可否认的是，我们同时也将成为基数最庞大的移动智能终端。
这和日本NTT公司的观点不谋而合：从1985年互联网逐渐普及开始，数字化的重点以10年为单位，反复在“人”和“事物”之间交替，当螺旋的进化到达临界点后，质变终于引发了量变——“人”的数字化成为塑造未来世界的关键。
人类和事物的数字化发展 图源：NTT官网
人类数字孪生的第一层，通过将身体和生理特征的数字化，实时监测人体数据，形成数字孪生体，来提升医疗诊断和治疗准确率，实现智慧医疗。
第二层是再现个体的内在特质，比如个性、情感、思想和技能。这是人体模型与AI结合后的畅想，我们从工作、消费、居家三个维度展开。
工作：如果数字孪生技术足够成熟，拥有与真人一致的思维与个性，相当于真人创造一个助理来工作。未来很有可能会出现一个人同时打几份工的情况——数字孪生体内卷时代要来了。
消费：如今的数字孪生+AR/VR/MR的交互式门店体验只是噱头，未来消费者需求还可以通过数字孪生决策迅速反馈到经营端，辅助进行需求预测、品类规划以及决策，而后顺势传达给供应链。
居家：当前，各大互联网企业打造的智能家居生态，大多是以手机作为纽带，用户自主设定操控——智能化程度最多做到人走灯熄、电器断电，以及智能音箱发出一声“我在！”。未来的数字孪生+AI，能够实时分析人类数字孪生体，根据你实时的心情和想法，调节相应的灯光和室温。
数字化并不会到此结束，数字孪生也被解读成元宇宙的根基，是进入元宇宙的大门。
元宇宙的终极目标是虚实相生，意思是在现实生活里的工作、生活和娱乐都能转移到虚拟世界进行，而现实和虚拟又在相互影响——你一辈子都能耗在元宇宙里面，可以不用出来了。
以上所描述的种种情境，有些我们已经不知不觉身处其中，有些还好像遥不可及的科幻故事——两极分化的现状，体现出数字孪生“炒冷饭”的本质：它只是多种技术的集大成，而非集大成的一种技术。
09. 中国对数字孪生有哪些政策支持？
首先要提到的，是2020年发改委和网信办联合发布的“552号文件”。
这份文件里，中国首次将数字孪生提升为七大新一代数字技术之一，并提出“数字孪生创新计划”。其他六种技术分别是：大数据、人工智能、云计算、5G、物联网和区块链。而中国把数字孪生作为一个独立产业概念的做法，早于英、美、德、日。
由于城市是现代经济的主要载体，而数字孪生又是智慧城市的载体，因此中国的宏观政策，主要集中于数字孪生城市上。“十四五规划和2035远景目标”中，明确提出“探索建设数字孪生城市”。
中国数字孪生城市政策 信息来源：网络 制图：立方知造局
尾声
爆炸声在地球上空30多万公里处响起——氧气罐被炸毁，供电系统受损，航天飞船室温骤降至3摄氏度。阿波罗13号正以每分钟600多公里的速度远离地球。如果无法快速排除故障，它就完了。
宇航员唯一能做的，就是等待NASA地面控制中心给出的自救方案。
飞船的参数数据被输入到NASA的15个模拟器中，计算机飞速运算，最终一套回程方案被筛选出来。
1970年4月17日，爆炸4天后，航天器借助月球的引力返航地球，安全着陆南太平洋。在这起美国登月史上的最成功的失败中，计算机仿真模拟物理状况，成为“数字孪生”最早的应用案例之一。
50年后的2020年12月，嫦娥5号升空，完成了中国航天领域中最复杂的操作——钻取月壤样品并封装。数字孪生再度上场，除了对航天器实时监测，形成毫米级精度的月球数字孪生图像之外，还能下达探测器动作指令。
五十年间，虚实世界的交互螺旋上升——从仿制现实到实时仿真，带来虚拟世界对物理世界的降本增效。
数字孪生背后的技术在进化——AI、5G、AR、VR、大数据勾勒出数字孪生在车间、城市中的不同应用，也包圆疫情之下的抗疫防疫、复工复产以及你的衣食住行。
在那个由01组成的镜面世界中，一切都将超越此刻的想象维度。
参考资料：
数字孪生：虚拟与现实之间的星火互联网江湖
工业数字孪生白皮书2021 工业互联网产业联盟
数字孪生城市白皮书中国信通院
数字孪生应用白皮书中国电子技术标准化研究院
数字孪生行业报告 2022年数字孪生行业发展前景分析 中研网
人类数字孪生：创造超越现实世界限制的新价值 NTT
工业互联网平台数字仿真发展白皮书 迪赛研究院
发展工业软件，建设制造强国 倪光南
中国工业软件产业发展路径研究 技术经济与管理研究
数字孪生医院——雷神山医院BIM技术应用与思考 华中建筑
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