关注丨张新长：用“数字分身”通向智慧未来

张新长

国际欧亚科学院院士、广州大学地理科学学院教授，长期从事地理信息科学与技术领域的科学研究、技术发展和应用实践。

数字浪潮正在席卷全球，传统产业的数字化转型是我国经济转向高质量发展阶段的重要任务之一。数字技术的应用，改变了传统的商业逻辑，为产业发展注入了新的活力，在持续壮大新兴产业的同时，数字化时代也为传统产业转型升级提供新机遇与新动力。同时，在5G和新基建的刺激下，以数字孪生为代表的新型数字化技术悄然从星星之火发展为燎原之势。

作为数字经济当中一项关键技术和高效能工具，数字孪生可以有效发挥其在模型设计、数据采集、分析预测、模拟仿真等方面的作用，助力推进产业数字化，促进数字经济与实体经济融合发展。从发展态势来看它不仅是全新信息技术发展的新焦点，也是各国实现数字化转型的新抓手，还是众多企业业务布局的新方向。近日，《定位》杂志独家专访国际欧亚科学院院士、广州大学地理科学学院教授张新长，就数字孪生话题为我们答疑解惑。

数字孪生玩“跨界”，大有可为

《定位》杂志：您能给我们介绍一下什么是数字孪生吗？作为一门新兴的技术，数字孪生是从什么时候开始被关注的？受到关注的原因是什么？ 

张新长：可以从几个不同的角度去定义数字孪生。在标准化组织中，数字孪生被定义为具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达，该数据连接可以保证物理状态和虚拟状态之间的同速率收敛，并提供物理实体或流程过程的整个生命周期的集成视图，有助于优化整体性能；而在学术界，数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据、实时数据以及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段；对于企业而言，数字孪生则是资产和流程的软件表示，用于理解、预测和优化绩效以实现改善的业务成果。

▲数字孪生在航空发动机制造工艺中应用示意图

数字孪生的设想首次出现在2002年前后，由美国密歇根大学的Michael Grieves教授在他所讲授的产品全生命周期管理课程上提出的。近年来，随着物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的发展，数字孪生的实施已逐渐成为可能，从而使得数字孪生得到更加广泛的传播和应用。除了航空航天领域，数字孪生还被应用于电力、船舶、城市管理、农业、建筑、制造、石油天然气、健康医疗、环境保护等行业。

数字孪生作为推动实现企业数字化转型、促进数字经济发展的重要抓手，已具备普遍适应的理论技术体系，并在产品设计制造、工程建设和其他学科分析等领域有较为深入的应用。在当前我国各产业领域强调技术自主和数字安全的发展阶段，数字孪生本身具有的高效决策、深度分析等特点，将有力推动数字产业化和产业数字化进程，加快实现数字经济的国家战略。

《定位》杂志：据您了解，目前数字孪生在国内主要应用在哪些领域？为什么能在这些领域被广泛应用？

张新长：目前，数字孪生的应用已经延伸到更广阔的领域，在国内主要包括智慧城市领域、智慧交通、智慧能源、智慧建筑、智慧健康以及智能制造等6个领域。

数字孪生技术之所以在这些领域较为吃香，主要还是因为它具有几大突出特点：实时性、互操作性、保真性、闭环性以及可拓展性。

▲张新长作报告

以智慧城市为例。数字孪生城市通过对物理世界的人、物、事件等所有要素数字化，在网络空间再造一个与之对应的“虚拟世界”，形成物理维度上的实体世界和信息维度上的数字世界同生共存、虚实交融的格局，这突出了数字孪生的实时性以及保真性。将物理世界的动态，通过传感器精准、实时地反馈到数字世界。数字化、网络化实现由实入虚，网络化智能化实现由虚入实，通过虚实互动，持续迭代，实现物理世界的最佳有序运行，这突出了数字孪生的互操作性、可拓展性以及闭环性。

数字孪生城市将推动新型智慧城市建设，在信息空间上构建的城市虚拟映像叠加在城市物理空间上，将极大地改变城市面貌，重塑城市基础设施，形成虚实结合、孪生互动的城市发展新形态。

数字孪生持续升温，遇新挑战

《定位》杂志：数字孪生背后的关键技术有哪些？您和科研团队是否对数字孪生有针对性的研究？ 

张新长：数字孪生的发展和实现是众多技术共同发展的结果，从数据采集到功能实现主要分为四层，分别为数据采集传输层、建模层、功能实现层、人机交互层。每层之间是递进关系，都将上一层的功能实现扩展和丰富。数字孪生关键技术体系涵盖感知控制、数据集成、模型构建、模型互操作、业务集成、人机交互六大核心技术。

▲学生给张新长献花

我们团队主要针对三维仿真技术做了一些针对性的研究。三维仿真技术是指利用计算机技术生成一个具有视、听、触、味等多种感知的虚拟环境，用户可以通过其自然技能使用各种传感设备同虚拟环境中的实体相互作用的一种技术，主要将BIM和三维激光技术进行结合。BIM具有可视化、协调性、模拟性、优化性以及可视图形的特点，而三维扫描仪采集的数据非常真实和精确，在目前的建筑建造行业它们可谓是“最佳拍档”。

我们团队与一些企业和单位合作，利用数字孪生也针对性地开发了一些数据化服务工具。如三维规划信息系统、移动三维规划系统和国土空间规划信息平台，其中三维规划信息系统是把BIM与GIS结合以形成良好的互补，将城市管理者的视角从宏观到微观，从室外切换到室内，更为全面地了解整个城市的情况，实现对城市的智慧管理、规划。

《定位》杂志：目前数字孪生还处在初级发展阶段，您认为数字孪生要步入广泛应用阶段，还需要解决哪些问题？针对这些问题有没有具体的解决办法？

张新长：我个人认为，数字孪生要得以广泛应用还将面临数据、基础知识库、安全、多系统融合和人才等五个方面的挑战。

一、数据问题。数据是数字孪生的关键所在，现阶段与数据有关的问题主要表现为：1.多维度、多尺度数据采集不一致；2.数据传输的稳定性不足；3.受多源数据获取方式的影响，数据的准确性难以保障；4.海量数据的存储与处理能力欠缺；5.通讯接口协议及相关数据标准不统一；6.数据的分享与开放机制不完善；7.多源异构多模数据较难实现集成、融合和统一。

二、基础知识库问题。在系统层级方面，存在着数字化、标准化、平台化的缺失，主要体现在各层级的自身基础知识库匮乏，现有层级之间的基础知识库互联互通障碍以及基础知识库的整体架构不完善；在生命周期方面，存在着结构化、传承性、规划性缺失的问题；在价值链方面，则存在着现有应用价值不足、兼容性差、盈利模式不明等问题。

三、数据安全问题。主要表现在数据传输和存储安全方面，数字孪生系统在应用过程中，会产生和存储海量的生产管理数据、操作数据和系列外部数据等，可通过云端、生产终端和服务器等存储方式进行存储，任何一环都可能涉及数据泄密的风险。另外，系统控制安全也需要注意，由于虚拟控制系统可能存在各种未知安全漏洞，极易发生泄密问题。

四、多系统融合问题。数字孪生是一个多维系统的融合，在数据、模型和交互各环节均涉及融合应用，而目前无论是数据采集、数据传输、模型构建还是交互协同的环节，与数字孪生构架均未深度结合。

五、人才问题。现阶段数字孪生核心软件技术仍由国外人才主导，国内市场缺少数字孪生标准化研究相关的专业人才。

▲张新长在讲课

面对这些问题，我觉得不仅仅要从宏观层面给予支持，如加强数字孪生标准化顶层设计与统筹推进机制，加强重点领域标准研制和应用示范，加快孪生公共服务平台建设，探索数字孪生产业数据模型共享机制等；更要针对关键技术的研究加大力量，主要可以从以下几方面着手：1.以算法为核心，以数据和硬件为基础，以大规模知识库、模型库、算法库的构建与应用为导向，重点提升信息建模、信息同步、信息强化、信息分析、智能决策、信息安全等多种数字孪生关键技术；2.推出优质培训课程等方式加强数字孪生优秀平台或产品的展示与推广；3.加强数字孪生产业开放与交流平台建设，促进产学研协同创新，让需求和技术得以落地；4.加强数字孪生与其他技术的创新融合，探索和研究更符合数字孪生相关业务的基础理论、集成融合技术及方法；5.加强数字孪生相关人才培养，尤其加强培养具备数字孪生与其他领域知识储备的交叉复合型人才。

数字孪生落地生根，未来可期

《定位》杂志：您对数字孪生未来的应用前景怎么看？您认为数字孪生什么时候可以迎来应用大爆发？ 

张新长：在模拟、新数据源、互操作性、可视化、仪器、平台等多个方面的共同推动，数字孪生及相关系统实现了快速发展。目前，越来越多的企业，特别是从产品销售向“产品+服务”转变的企业，正在广泛应用数字孪生。但数字孪生的大规模应用场景还比较有限，涉及的行业也有待继续拓展，其仍然面临着企业内、行业内数据采集能力参差不齐，底层关键数据无法得到有效感知等问题。此外，对于已采集的数据闲置度高、缺乏数据关联和挖掘相关的深度集成应用，难以发挥数据潜藏价值等现状也是值得关注的问题。从长远来看，要释放数字孪生的全部潜力，有赖于从底层向上层数据的有效贯通，并需要整合整个生态系统中的所有系统与数据。随着新一代信息技术、先进制造技术、新材料技术等系列新兴技术的共同发展，各项要素得以持续优化，数字孪生的发展将一边探索和尝试，一边优化和完善。

目前，数字孪生行业应用层出不穷，2020年成为数字孪生技术应用的元年，相信很快，随着人工智能+三维数字化自动建模等技术的研发与应用，数字孪生的实现效率大大提高，进而实现智慧城市可视化操作系统，并赋能产业互联网由2D内容升级到3D，及至未来4D实景的提升，赋予人类视觉从2D到4D数字万物的跨越。

精彩预告

《定位》杂志冬季刊即将与广大读者见面，本期杂志将聚焦数字孪生落地应用，敬请关注！

部分照片来源于互联网

作者/孙蓓 编辑/何溪

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