村田丨数字孪生：在数字空间中再现现实空间的“双胞胎”

　　近些年来，“数字孪生”一词在IT新闻等当中出现得越来越多。“数字孪生”是指利用现实空间(物理空间)的信息，在数字空间(网络空间)中再现虚拟现实的方法。人们期望通过在数字空间中创建现实空间的双胞胎，产生以前无法获得的价值。您一定很好奇，数字孪生有什么应用场景，需要哪些支撑技术吧?

　　数字孪生：在数字空间再现现实空间的“双胞胎”

　　数字孪生，不再是科幻!

　　“数字孪生”一词的热度近年来已经仅次于人工智能。

　　据了解，日本国家和东京都在努力实施城市的数字孪生。日本数字厅提出了与日本经济产业省、日本国土交通省等合作实现“构建数字孪生”的目标。为了在数字空间中再现虚拟城市，从而达到未来无人驾驶汽车等自动移动工具的运行目的，正在力争利用3D地理空间信息、气象状况、交通状况等构建数字孪生。

　　作为其中的一项尝试，静冈县正在致力于构建“VIRTUAL SHIZUOKA(虚拟静冈)”，以1:1的比例在虚拟空间中将静冈县作为点的集合再现。东京都也正在实施“数字孪生实现项目”，期待将其应用于防灾、城市建设、移动、环境和旅游等行业。

　　数字孪生已经不仅限于上述智慧城市类的应用。在民间，抢先利用数字技术的公司也越来越多地引入数字孪生。数字孪生正在“实现持续运转工厂”、为技术人员提供远程支持以及新领域技术开发等方面发挥积极作用。

　　数字双胞胎与物理信息系统的关系

　　数字孪生中的“孪生”就是双胞胎的意思。数字孪生就是在数字世界中创建的现实世界双胞胎。利用传感器和摄像头等将现实世界中的物体的状态作为数据获取，然后在数字世界中再现。

　　如果能够以高精度在数字世界中再现现实世界的物体，就能在数字世界中确认与现实世界相同的行为。例如，考虑创建工厂的数字孪生。如果尝试长期连续运行该数字工厂，就能掌握未来的问题和修理时间。这使我们能够在不损坏现实世界的设备的情况下验证未来的状况。

　　与数字孪生类似的术语是“信息物理系统(CPS)”。信息物理系统也是获取现实世界的数据并在网络空间即数字空间中进行分析。在此基础上，在信息物理系统中会反馈分析结果以改进现实世界的状态。

　　可以看出，数字孪生和信息物理系统是相似的概念，因为它们的目的都是通过同步现实世界和数字空间的状态来创造新的价值。如果我们仔细研究这些概念，就会发现数字孪生的主要目的是在数字空间中再现现实世界并利用分析结果，而信息物理系统的不同之处在于，它的目的是构建一个通过向现实世界反馈来进行改进的循环。也就是说，可以将数字孪生视为信息物理系统的一个要素。

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　　数字再现，需要哪些基础科技?

　　实现数字孪生需要哪些系统构成要素?这些要素需要通过哪些技术手段才能获取?

　　数字孪生的主要构成要素有以下4个：

　　数据获取

　　数据收集

　　分析与解析

　　反馈

　　为了在数字空间中掌握现实世界的当前状态，需要实时获取数据。为了对传感器等获取的数据进行分析和解析，需要在数字空间中进行数据收集。此外，还需要一个能够对收集的数据进行高度分析和解析的平台。为了将这些结果反馈到现实世界并能够充分利用，还需要前沿技术。

　　这里要考虑的一件事是获取的数据的质量。无论数据收集机制和分析平台有多好，如果数据本身的质量很差，就很难从中产生价值。要知道，为了利用数字孪生创造价值，仅仅获取数据是不够的，数据获取的频度、所需数据的种类以及将数据数字化时的精度等也是通过数字孪生创造价值时需要讨论的基本项目。

　　可以看出，实现数字孪生，需要很多前沿的技术来支撑。

　　数字孪生是通过结合多种技术而实现的。获取数据时使用了多种传感器技术。如果创建工厂的数字孪生，现有生产设备生成的日志数据非常重要，如果使用数字孪生再现飞机或汽车等，则需要发动机、电机等多种控制数据。在创建城市和社会基础设施的数字孪生时，可能需要温度、湿度、建筑物和道路的3D数据、行人和车辆的实时位置信息等。来自摄像头的图像和视频、来自麦克风等的声音等数据也可用于构建数字孪生，可以认为是广义的传感器。

　　然而，仅仅收集这些数据并不能带来数字孪生的好处。为了实时收集来自传感器、测量仪器等的信息，无线通信通常能发挥作用。有时还因使用高清图像而需要进行大容量通信，或者需要低延迟性和高可靠性。

　　人们对低廉成本、可长时间驱动的电池设备的需求也很高。为了满足这些条件，需要有效利用能够实现高性能的无线通信方式，例如前沿的5G网络和目前已经开始标准化的6G等。如果位于工厂等有限的区域内，也可以考虑使用Wi-Fi和本地5G等。显然，在数字孪生中，从数据获取到数据收集的部分与实现物联网(IoT)所需的基础设施有很多重叠的部分。

　　接下来，分析收集到的数据需要很强的计算能力，因此使用配备高性能计算机的数据中心和云服务。在从未知数据之间的关系进行推断时，使用AI(人工智能)也是一个重要因素。通过数字孪生在数字空间中能在多大程度上再现现实世界的状况取决于这些分析和解析的能力。

　　此外，还需要一种机制将数字空间中获得的知识反馈到现实世界。数字孪生分析的结果不仅可以通过机械的方式反馈给控制设备，还可以使用AR(增强现实)、VR(虚拟现实)等数字空间可视化方法，通过人反馈到现实世界。

　　数字孪生，有哪些应用?

　　构建数字孪生可以带来在现实世界中是不可能实现的多种效果。如果构建监控工厂设备的数字孪生，则可以通过在数字空间中监视状态来检测故障迹象。如果能够事先进行检查和维护，将有助于预防故障造成的问题和停机，为业务创造积极的价值。

　　同样，使用数字孪生可以模拟现实世界的系统。通过在工厂和农场使用数字孪生进行模拟，可以讨论多种有效的运营模式，并将其应用于实际运营中。通过AR或VR反馈模拟结果，可以提供虚拟培训，还可以让经验丰富的作业人员远程指导现场的年轻作业人员。

　　数字孪生可以模拟现实空间的事件并监控、分析和监视现实世界，以及进行现实世界中难以进行的测试

　　数字孪生的另一个有用的地方是用于开发和未来预估。

　　例如，在开发无人驾驶汽车时，使用实际的汽车和行人来验证防撞效果是不现实的。在为调查生产设备耐久性而进行的破坏性测试等当中，如果将实际的设备一直使用到损坏，就会导致生产线停止。现实世界中无法实施的条件在数字孪生的数字空间中是有可能实施的。利用数字孪生，可以实现诸多目标，例如通过反复避免碰撞来改进无人驾驶汽车的软件，或者验证生产设备在发生超出想象的海啸或地震时的表现。如果构建地理信息的数字孪生，还有可能帮助进行灾害预估、尽早掌握受灾损失、预防次生灾害等。

　　除此之外，正如在与信息物理系统相关内容中介绍的那样，还可能涉及向现实社会进行反馈。预计数字孪生有望用于实时决策和系统控制等。