近幾年來，數(shù)字孿生理念慢慢走進(jìn)了人們的視野。所謂數(shù)字孿生（Digital Twins），是指用計(jì)算機(jī)程序模擬現(xiàn)實(shí)世界中的物理實(shí)體或物理實(shí)體組成的系統(tǒng)，類似這些實(shí)體或系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)程序中的雙胞胎。兩者不僅外觀相同，而且心靈相通，任何一方發(fā)生變化，另外一方都能夠馬上體現(xiàn)出來。利用這個(gè)特點(diǎn)，用戶通過計(jì)算機(jī)就可以了解物理實(shí)體的真實(shí)狀況，并通過預(yù)定義的接口對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行控制。

孿生（Twin）理念的實(shí)際應(yīng)用，最早可追溯到美國國家航空航天局（NASA）的阿波羅項(xiàng)目。在該項(xiàng)目中，NASA需要制造兩個(gè)完全一樣的空間飛行器，留在地球上的飛行器被稱為孿生體（Twin），用來反映正在執(zhí)行任務(wù)的空間飛行器的狀態(tài)。

在飛行準(zhǔn)備期間，孿生體空間飛行器被廣泛應(yīng)用于訓(xùn)練；在任務(wù)執(zhí)行期間，利用該孿生體盡可能精確地反映和預(yù)測正在執(zhí)行任務(wù)的空間飛行器的狀態(tài)，從而讓地面人員協(xié)助航天員在緊急情況下做出最正確的決策。從這個(gè)角度可以看出，孿生應(yīng)用具備兩個(gè)顯著特點(diǎn)：

1、孿生體與其所要反映的對(duì)象在外表（指產(chǎn)品的幾何形狀和尺寸）、內(nèi)容（指產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成及其宏觀微觀物理特性）和性質(zhì)（指產(chǎn)品的功能和性能）上基本完全一樣；

2、允許通過仿真等方式來鏡像/反映真實(shí)的運(yùn)行情況/狀態(tài)。

需要指出的是，此時(shí)的孿生體還是實(shí)物。

而數(shù)字孿生的概念最初由Michael Grieves教授于2003在美國密歇根大學(xué)的產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出，并被定義為三維模型，包括實(shí)體產(chǎn)品、虛擬產(chǎn)品以及二者間的連接。由于當(dāng)時(shí)技術(shù)和認(rèn)知上的局限，數(shù)字孿生的概念并沒有得到重視。

直到2011年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室和NASA合作提出了構(gòu)建未來飛行器的數(shù)字孿生體，并定義數(shù)字孿生為一種面向飛行器或系統(tǒng)的高度集成的多物理場、多尺度、多概率的仿真模型，能夠利用物理模型、傳感器數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等反映與該模型對(duì)應(yīng)·實(shí)體的功能、實(shí)時(shí)狀態(tài)及演變趨勢等，數(shù)字孿生才真正引起關(guān)注。

2017~2019連續(xù)三年，數(shù)字孿生都被Gartner列為十大戰(zhàn)略技術(shù)發(fā)展趨勢之一。

由于直觀和易于操作的特性，基于數(shù)字孿生理念的系統(tǒng)在管理復(fù)雜對(duì)象方面具有傳統(tǒng)系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢，逐漸被人們重視并大規(guī)模應(yīng)用。

北京優(yōu)锘科技有限公司是國內(nèi)最早開始應(yīng)用數(shù)字孿生的理念進(jìn)行軟件研發(fā)并投入實(shí)際應(yīng)用的公司之一，從2012年開始，優(yōu)锘科技率先在IT管理領(lǐng)域發(fā)布了數(shù)據(jù)中心可視化產(chǎn)品DCV（DataCenter Visualizer），將數(shù)據(jù)中心作為一個(gè)整體對(duì)象進(jìn)行了數(shù)字化孿生轉(zhuǎn)換，讓用戶能夠方便的通過計(jì)算機(jī)程序完成從宏觀上的數(shù)據(jù)中心園區(qū)到微觀上設(shè)備乃至板卡的管理。

在接下來的幾年中，優(yōu)锘科技在專業(yè)上不斷精進(jìn)，逐步將數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用范圍從數(shù)據(jù)中心擴(kuò)展到了各行各業(yè)，包括智能樓宇，數(shù)字監(jiān)所，應(yīng)急預(yù)案，智慧城市以及校園、港口、倉庫、醫(yī)院等等，在積累了豐富的項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)驗(yàn)同時(shí)，也探索出一套成熟的數(shù)字孿生系統(tǒng)建構(gòu)方法論。

優(yōu)锘科技的數(shù)字孿生系統(tǒng)建構(gòu)方法論中，自下而上分成七個(gè)層面，每一層都是上一層的基礎(chǔ)支撐。接下來就詳細(xì)解釋一下各個(gè)層面的含義和相應(yīng)的產(chǎn)品工具或?qū)嶋H應(yīng)用。

第一層**-、管道融合?**

管道融合是數(shù)字孿生系統(tǒng)建構(gòu)的最底層基礎(chǔ)，其目標(biāo)就是打通物理實(shí)體和孿生系統(tǒng)之間的隔閡并建立一座橋梁，保證物理實(shí)體的所有信息都能夠完整、準(zhǔn)確和有效地反映到孿生系統(tǒng)上。

物理實(shí)體或者系統(tǒng)包含的組件數(shù)量眾多，五花八門。比如一幢智能樓宇中，可能有幾臺(tái)通過古老的串口傳輸數(shù)據(jù)的不間斷電源，也可能有成百上千個(gè)通過最新的LoRa無線協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)的門禁設(shè)備。所以，管道融合本質(zhì)上就是要解決物理實(shí)體組件多樣化、海量化和標(biāo)準(zhǔn)化的問題。

對(duì)于多樣化和標(biāo)準(zhǔn)化問題，優(yōu)锘科技提供了兼容多種采集協(xié)議和硬件接口的ThingJet分布式采集模塊，將分布于物理實(shí)體中不同位置的數(shù)據(jù)。對(duì)于海量化問題，則采用了DIX集群式數(shù)據(jù)匯聚模塊來響應(yīng)和處理大規(guī)模、高并發(fā)的數(shù)據(jù)。

第二層、**?環(huán)境融合?**

任何一個(gè)物理實(shí)體都不是孤立存在的，豐富的環(huán)境信息有助于用戶快速和體系化地了解物理實(shí)體的概況。數(shù)字孿生系統(tǒng)也是如此。環(huán)境融合的能力，就是把物理實(shí)體周邊的環(huán)境信息進(jìn)行數(shù)字化，再和物理實(shí)體融合在一起。就如同對(duì)某個(gè)攝像頭而言，它所在的建筑及建筑周圍的道路、綠化信息，都是必不可少的環(huán)境信息。

優(yōu)锘科技的相應(yīng)產(chǎn)品能夠支撐兩種不同的環(huán)境場景。

對(duì)于大規(guī)模數(shù)據(jù)的環(huán)境場景，比如智慧城市，我們采用的是CityBuilder解決方案。簡而言之，能夠解析電子地圖的數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成3D城市。同時(shí)，還提供不同的主題風(fēng)格，能根據(jù)不同的應(yīng)用場景進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

對(duì)于規(guī)模較小的環(huán)境場景，比如一個(gè)學(xué)校或者社區(qū)，我們采用CampusBuiler解決方案。這個(gè)產(chǎn)品提供一個(gè)所見即所得的3D場景搭建工具，使用戶利用它快速繪制真實(shí)場景。

額外介紹一個(gè)有趣的全景圖功能（ThingPano）。就是將360度的全景圖與環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行整合。用戶在孿生系統(tǒng)中漫游的時(shí)候，隨時(shí)可以看到對(duì)應(yīng)的真實(shí)環(huán)境的全景圖，是不是很酷。

**第三層、****布局融合?**

在涉及到建筑物的應(yīng)用中，樓層的布局信息非常重要，它不僅僅是還原了物理場所的建筑構(gòu)造，更重要的是為一些上層應(yīng)用打下基礎(chǔ)，比如人員定位，運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤，自動(dòng)巡檢等等。

在布局融合方面，用戶除了復(fù)用CampusBuiler工具人工進(jìn)行樓層布局的搭建外，還能通過布局自動(dòng)生成工具ThingLayout，將樓層的CAD文件自動(dòng)轉(zhuǎn)換成了系統(tǒng)可以識(shí)別的3D布局?jǐn)?shù)據(jù)格式。

**第四層、****模型融合?**

物理實(shí)體的數(shù)字孿生體，歸根結(jié)底就是一個(gè)個(gè)的模型或者模型集合，所以建設(shè)數(shù)字孿生系統(tǒng)的關(guān)鍵也在于模型。優(yōu)锘科技通過近十年時(shí)間，上百個(gè)項(xiàng)目，積累了上千種不同的物體模型數(shù)據(jù)，使得我們在后續(xù)的項(xiàng)目中能夠復(fù)用它們并最終快速交付。

優(yōu)锘科技的ThingDepot就是用來管理這些模型的產(chǎn)品模塊。

**第五層、****數(shù)據(jù)融合?**

很多用戶經(jīng)常有這樣的疑問：你們優(yōu)锘的產(chǎn)品和BIM軟件有什么區(qū)別？坦率地說，BIM軟件現(xiàn)在也在發(fā)展，很可能到未來的某一天，兩者之間已經(jīng)因?yàn)楣δ芟嗷ソ徊娑鵁o從分辨了。但從當(dāng)下大家的普遍認(rèn)知上來說，BIM軟件還是面向于設(shè)計(jì)用途的，它注重孿生體的外觀形狀尺寸與物理實(shí)體一致性；而真正的數(shù)字孿生應(yīng)用，不僅僅要考慮孿生體外觀的一致性（至少是肉眼可見的一致性），還要通過數(shù)據(jù)反映出孿生體的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)（簡稱雙態(tài)）狀況。甚至在很多管理者看來，孿生體雙態(tài)數(shù)據(jù)的重要性已經(jīng)超過了孿生體外觀的重要性。

了解到雙態(tài)數(shù)據(jù)的重要性，大家自然也就明白了數(shù)據(jù)融合能力的重要性。同時(shí)，在計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)高度發(fā)展的今天，我們還可以通過增加額外的界面特效來讓交互手段及表現(xiàn)力更加得豐富。

如下圖，我們在某數(shù)字醫(yī)院項(xiàng)目中，利用黃色亮線的密度和速度分別表示車流量和車輛速度，利用不同顏色表示樓層的溫度高低。

**第六層、****管理融合?**

一個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)，如果簡單的把環(huán)境、布局、模型和數(shù)據(jù)這些信息拼湊到一起，那么帶給用戶的只能是噪音。想讓它真正發(fā)揮價(jià)值，還需要根據(jù)不同的管理維度和場景，有條件的選取展示內(nèi)容和展示方式。

在智能樓宇類型的應(yīng)用中，針對(duì)配電管理和電梯管理，系統(tǒng)呈現(xiàn)的內(nèi)容就迥然不同。在對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行管理時(shí)，不僅僅要關(guān)注具體的配電設(shè)備，還要呈現(xiàn)設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。而對(duì)電梯進(jìn)行管理時(shí)，系統(tǒng)就要?jiǎng)討B(tài)呈現(xiàn)每部電梯的運(yùn)行狀況。

**第七層、****業(yè)務(wù)融合?**

在一些復(fù)雜的數(shù)字孿生應(yīng)用中，把物理實(shí)體和相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行呈現(xiàn)，甚至上面提及的管理融合，都已經(jīng)無法滿足業(yè)務(wù)的要求。用戶希望進(jìn)行更深度的人機(jī)交互，將數(shù)字孿生的真實(shí)性和計(jì)算機(jī)程序的虛構(gòu)性結(jié)合起來，模擬現(xiàn)實(shí)中成本過高或者無法實(shí)現(xiàn)的活動(dòng)，我們稱之為業(yè)務(wù)融合。

業(yè)務(wù)融合最典型的應(yīng)用是在消防領(lǐng)域廣泛使用的應(yīng)急預(yù)案，也就是依托數(shù)字孿生系統(tǒng)構(gòu)建消防重點(diǎn)單位3D場景，包括室內(nèi)外的市政消火栓、水泵接合器、周邊道路、天然水源等信息，然后針對(duì)突發(fā)或設(shè)定火災(zāi)進(jìn)行動(dòng)態(tài)推演，并以動(dòng)畫形式播放推演結(jié)果，從而形成直觀立體的三維電子預(yù)案。

這其中，用戶可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)步驟，繪制逃生路線、救援路線、標(biāo)注救援提示信息（含語音），實(shí)現(xiàn)三維預(yù)案的自主制作；還可以用動(dòng)畫方式自動(dòng)播放推演步驟，方便用戶查看推演過程。播放過程中可隨時(shí)暫停，進(jìn)行周邊消防信息查詢、查看，還可進(jìn)行回播和快進(jìn)播放。

介紹完這七個(gè)層面的融合，想必您對(duì)數(shù)字孿生系統(tǒng)的建設(shè)有了基本的了解。從某種程度上說，它如同蘋果公司的圖形化操作系統(tǒng)一樣，進(jìn)行大量的幕后工作，屏蔽眾多的技術(shù)細(xì)節(jié)，呈現(xiàn)易用的操作界面。

我們有理由相信，數(shù)字孿生技術(shù)在未來相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)必將越發(fā)成熟和壯大，也相信北京優(yōu)锘科技有限公司能夠?yàn)槭袌龊涂蛻糸_發(fā)出更多更好的數(shù)字孿生應(yīng)用。