作者：房祥忠
引言
人们很好奇浩渺无垠的宇宙中有没有一个平行的世界，而这个平行的世界里有一模一样的你我他。有了数字孪生的概念，平行世界已经来了。可以设想，假如有一天我们的统计建模能力、计算能力、信息储存能力以及处理能力都足够强大，我们就可以在数字平台建立起 一个平行的世界。到那时，你希望那个平行世界里的孪生兄弟独立于你去过他自己喜欢的生活吗？
最近几年中，科技界产业界最热门的词汇无疑是数字孪生了。关于数字孪生，文献中的定义五花八门，用浅显易懂的话说，所谓数字孪生就是要给我们感兴趣的事物造一个孪生兄弟，只不过这个孪生兄弟生活的世界是虚拟的数字化的平台。也可以给出稍微正规化的定义， 数字孪生就是对能够感知到的现实存在的物理对象进行的数字化复制。
本文将和大家一起探究几个问题：数字孪生只是物理对象的记录吗？数字孪生和统计学关系是什么？数字孪生有哪些应用领域？数字孪生面临什么样的挑战？现在的技术能够做到什么程度？
数字孪生不仅仅记录
录音录像是一种常用的数字化手段，但它只是对物理对象的以往信息的记录，录音录像自身不能够发展变化，也不能够对外界信号进 行主动的响应。通过使用录音录像设备或者各种传感器对物理对象的气味、声音、形状、动作、速度、方位、时间和关系等信息的历史记录可以为数字孪生提供数据基础。但数据孪生能够遗传物理对象的至 少一部分功能，对合理的激发有一定的响应能力。比如一台机车的数字孪生，要具有行驶功能，对前进、倒车、转向和刹车等指令能够有所响应，而且行驶速度、油耗量等性能要和实际车辆相似。通过数字孪生了解车辆的性能。如果还有道路的数字孪生，则可了解道路的情况，还可了解车辆和道路的交互作用。
数字孪生的统计基因
数字孪生不是简单地把物理对象的外貌用数字技术展现出来，还要把物理对象的功能和响应也展现出来。而现实世界的各种输入和输出的变量很多都具有随机性，这样的世界才更加丰富多彩和才有更加进化进步的可能。数字世界是现实世界的反映，也应该具有丰富多彩的内涵。这样就必须有各种随机变量和随机过程的产生。在进行演化预测阶段，还需要根据现实世界的即时数据对随机变化的规律进行统计估计。由于现实世界复杂多变，数字世界的模型也不会简单划一， 其中统计面临的挑战会很多。就拿一个数字孪生港口来说，其中的对象包括码头设施、轮船停靠装卸、水陆交通运输等内容。数字孪生不仅仅是要有这些内容，更加重要的是要考虑它们之间的交互作用。要考虑轮船队列仿真、装卸时间仿真、水陆交通状态仿真等等问题。这在建造港口之前就要进行数字孪生体的构建，以便了解物理实体的性能，进行更有效的设计。有趣的是，这时数字港口是原生体，而物理实体是孪生体了。在实体建好之后，数字孪生体的功能会发生变化， 从原生变为孪生。要不断根据实际情况，不断更新信息。在一天开始之前演化预测未来一天的状态，在一个月开始之前演化预测未来一个 月的状态，及时发现并解决问题使得现实世界少出或者不出危险状况。
数字孪生的应用领域
数字孪生的概念是从制造业开始的。运载火箭、航天飞机等大系统的建造无疑是一个巨大的工程，它们的设计和制造工艺都需要有事 先的预计。但由于费用巨大，实际试验几乎很难实现。数字孪生给这个行业带来了希望。现在比这小得多的系统都会在设计阶段先采用数字样机进行摸底试验。这个数字样机就是所谓的数字孪生的概念。这 种做法可以摸清系统的成本和性能，为实际设计提供有用的参考。
医疗健康行业也是数字孪生的用武之地。当外科医生进行实际手术之前，先要根据病人状况建立数字孪生对象，医生可以对数字孪生对象进行虚拟手术，根据手术中遇到的各种麻烦给出实际的解决方案。 这样可以减少医生的失误，也可以将手术中可能遇到的困难事先与病人家属沟通，探讨最佳治疗方案。另外，各种穿戴设备为数字孪生平台提供了信息。每个带有穿戴设备的个体，都被投射到相应的数字平台上进行数字孪生，他们的健康状态和生活规律为制定相应防病治病措施提供了即时依据。
来自各个国家的气象部门使用数字孪生的概念用于气象预报。气象中心具有大量的多种类的数据流，通过这些数据人们对大气和海洋当前状态具有更加准确的了解，实时进行物理对象和数字对象信息交互共享，同时利用强大的数值模拟器，对大气的演化进行仿真，最终给出较为准确的气象预报。
教育行业也是数字孪生能够很好发挥作用的地方。网络课堂为大家的学习提供了方便，但其中面临的问题也很多。一个重要问题是学生的反馈不能被授课者及时掌握，而授课课件多数是事先录制好的， 也不能根据学生们的反响及时更改或者停顿。如果在教师录制课件时能够有数字孪生学生，则可以让老师了解众多类型学生的各种疑惑。 也可以设想制作出智能化的网络课件，数字孪生教师可以根据学生提出的问题增减或改变内容的讲解。建筑专业的学生可以在数字平台学习各种建筑设计和施工，这种数字孪生建筑可让学生的设计实现它的功能，让学生了解各部分的应力和强度。
数字孪生城市目前是数字孪生业内比较热的主题。而之前的数字 城市和智慧城市则为数字孪生打下了基础。数字城市阶段将城市的基本信息进行了数字化，智慧城市开通了行业间和部门间的数据交互网路，进行了数据集成，方便了百姓的工作和生活。数字孪生则可以将城市的人员、设备、设施、行业和部门有机地投射到数字平台上，并且赋予它们以活力。使得孪生的各个数字对象能够尽可能多角度地重现物理对象的功能和应变能力。这样就可以根据数字孪生城市了解这 个城市是否能够满足目前人口规模下物资供给、交通运输、文化娱乐、 应急防灾、安全保障等方面的问题。其次，还可以了解当出现突发情况下，各个部门、各个行业都面临的压力和应对措施。另外，还可以根据数字城市的预演预测未来城市的发展规模和具体状态，提前进行城市规划和产业布局，应对未来各种压力。
在数字孪生城市的问题中，孪生的数字对象和物理对象间可以独立演化，但更有用的状况是信息的即时交互，共同良性进化。数字对象要采用来自物理对象的即时信息，及时修正到物理对象的现实状态。 但数字对象可以根据这些信息，独立快速演变，发现问题及时反馈。 反之也可以根据现实对象出现的比较大的变化，修改数字对象。
数字孪生面临的挑战
前面我们看到，数字孪生所在的数字平台既需要庞大的信息储存， 也需要即时的信息交互，需要强大的计算能力，还需要稳定可靠的传感器，高度智慧的机器学习算法，逼真的仿真模型，完美的可视化技 术。这些都是对人类智慧的极大挑战。其中的仿真模型是数字孪生的 关键所在。建模方法包括基于物理原理的建模、以及在数据驱动下的建模方法。要建好一个物理模型，要有较强的专业背景和必要的概率统计与微积分的知识。对一个庞大的系统，这需要众多专业人员的通力合作。基于数据驱动的建模方法也需要一定的专业背景知识和较强的数学和统计学建模能力，也需要一定的数据处理能力。这同样也需要各方面人员的良好配合。模型的好坏，最终是需要回到实际当中进行检验的。
现在的技术能够做到什么程度
虽然面临很多挑战，还不能完全解决我们所有的设想，但已经能够解决很多实际需求的问题。比如某些设备的数字孪生体构建。目前工业界很多产品的研发都会先建立起数字孪生体，初步了解设备的性能，并且根据了解的结果能够不断改进设计。在获得初步的稳定数字孪生产品之后，将进行物理实体的制造，根据两方面的试验信息不断递进改建数字实体和物理实体。 对有些问题还不能做到真正的数字孪生，比如数字孪生城市问题。 一个城市涉及到人财物等各个方面。目前的技术水平还不可能完全建立起一模一样的数字孪生城市，但可以做到简化版的，把我们最关心的主要因子加到数字城市中。这样就可以部分解决我们可能面临的问题。
文章来自：期刊《中国统计》ISSN：1002-4557 年，卷(期)：2022(9)