現(xiàn)如今的數(shù)字孿生，距離預(yù)想中的沙盒系統(tǒng)模擬推演、人工智能決策等功能仍有較大差距。數(shù)字孿生（DigitalTwin）這個(gè)觀(guān)念最初可以追尋到MichaelGrieves教授2002年在密歇根大學(xué)PLM（產(chǎn)品全生命周期管理）中心對(duì)產(chǎn)業(yè)界做的一次演講（雖然沒(méi)有書(shū)面證據(jù)，但這仍被廣泛覺(jué)得是數(shù)字孿生的最初來(lái)源）。
2014年，MichaelGrieves在其編寫(xiě)的“DigitalTwin:ManufacturingExcellencethroughVirtualFactoryReplication”白皮書(shū)中進(jìn)行了詳盡的闡述。他覺(jué)得利用物理設(shè)備的數(shù)據(jù)，可以在虛擬（信息）空間搭建一個(gè)可以表征該物理設(shè)備的虛擬實(shí)體和子系統(tǒng)，而且這種聯(lián)系不是單向和靜態(tài)的，而是在整個(gè)產(chǎn)品的全生命周期中都聯(lián)系在一起。
在此之后，數(shù)字孿生的觀(guān)念逐步拓展到了模擬仿真、虛擬裝配和3D打印等領(lǐng)域。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的工業(yè)產(chǎn)品、工業(yè)設(shè)備具有了智能化的特征，而數(shù)字孿生也逐步拓展到了包含制造和服務(wù)在內(nèi)的完整的產(chǎn)品周期環(huán)節(jié)，并不斷完善著數(shù)字孿生的形態(tài)和觀(guān)念。
企業(yè)界走在數(shù)字孿生的前列。工業(yè)4.0下的數(shù)字孿生被各種軟件廠(chǎng)商賦予了不同的理解，并將其與自身的業(yè)務(wù)融合，著力于打造出現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界融合的解決方案。美國(guó)通用電器公司（GE）與ANSYS公司運(yùn)用數(shù)字孿生這個(gè)概念，提出物理機(jī)械和分析技術(shù)融合的實(shí)現(xiàn)方式，讓每個(gè)引擎，每個(gè)渦輪，每臺(tái)核磁共振都具有一個(gè)數(shù)字化的“雙胞胎”，并利用數(shù)字化模型在虛擬環(huán)境下實(shí)現(xiàn)機(jī)器人調(diào)試、試驗(yàn)、優(yōu)化運(yùn)行狀態(tài)等模擬，以便于將最優(yōu)方案應(yīng)用在物理世界的機(jī)器上，進(jìn)而節(jié)省了大量維修、調(diào)試成本。西門(mén)子引用數(shù)字孿生的概念，來(lái)形容貫穿于產(chǎn)品全生命周期各環(huán)節(jié)間的數(shù)據(jù)模型。簡(jiǎn)單地說(shuō)，數(shù)字孿生便是模擬仿真一些工廠(chǎng)的實(shí)際操作空間，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到產(chǎn)線(xiàn)設(shè)計(jì)，到設(shè)備制造方的機(jī)械設(shè)計(jì)和工廠(chǎng)的規(guī)劃排產(chǎn)，到最終制造執(zhí)行和產(chǎn)品大數(shù)據(jù)。法國(guó)軟件公司達(dá)索系統(tǒng)在數(shù)字孿生創(chuàng)新協(xié)作和驗(yàn)證中，不僅重視產(chǎn)品的數(shù)字化表現(xiàn)，更嘗試?yán)萌S體驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)師和客戶(hù)之間的互動(dòng)。德國(guó)軟件公司SAP基于Leonardo平臺(tái)在數(shù)字世界打造了一個(gè)完整的數(shù)字化雙胞胎，在產(chǎn)品試驗(yàn)環(huán)節(jié)收集設(shè)備的運(yùn)行狀況，進(jìn)行分析，得出產(chǎn)品的實(shí)際性能，再與需求設(shè)計(jì)的目標(biāo)比較，形成產(chǎn)品研發(fā)的閉環(huán)體系。
簡(jiǎn)言之，工業(yè)4.0下的數(shù)字孿生，更多的是為制造業(yè)提供了產(chǎn)品在物理空間和虛擬空間之間的映射關(guān)系，及其在實(shí)體世界以及數(shù)據(jù)虛擬空間中記錄、仿真、預(yù)測(cè)對(duì)象生命周期的運(yùn)轉(zhuǎn)軌跡的全過(guò)程。
1、數(shù)字孿生：催生智慧城市2.0
值得一提的是，數(shù)字孿生的概念不僅活躍在工業(yè)4.0的制造業(yè)，也愈來(lái)愈頻繁地出現(xiàn)在智慧城市領(lǐng)域。伴隨著ICT（信息、通信、技術(shù)）成為智慧城市發(fā)展的主要?jiǎng)幽埽苿?dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、傳感器、人工智能、量子通信在智慧城市都得到了廣泛運(yùn)用。全域感知、數(shù)字模擬、深度學(xué)習(xí)等各領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展也將要迎來(lái)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，這使得城市的數(shù)字孿生應(yīng)運(yùn)而生。
我國(guó)智慧城市數(shù)字孿生的發(fā)展還有很長(zhǎng)一段路要走。數(shù)字孿生高度依賴(lài)于傳感器所收集的數(shù)據(jù)和信息，而就當(dāng)前的技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，精細(xì)化尺度下城市數(shù)據(jù)的全域感知和歷史多維數(shù)據(jù)的獲取，依然有難度。物理實(shí)體空間的數(shù)據(jù)不夠詳盡，將直接致使其數(shù)字副本的缺失。
數(shù)字孿生在智慧城市發(fā)展與建設(shè)中的核心價(jià)值取決于，它能夠在物理世界和數(shù)字世界之間全方位構(gòu)建實(shí)時(shí)聯(lián)系，進(jìn)而對(duì)實(shí)際操作對(duì)象生命周期的變化進(jìn)行記錄、分析和預(yù)測(cè)。智慧城市中的數(shù)字孿生可以分成四個(gè)階段，分別是：
1）對(duì)城市現(xiàn)狀進(jìn)行精準(zhǔn)、全方位、動(dòng)態(tài)映射的現(xiàn)狀孿生；
2）從歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)、分析、識(shí)別、總結(jié)并發(fā)現(xiàn)城市運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律的學(xué)習(xí)孿生；
3）人工監(jiān)督下模擬不同環(huán)境背景下的發(fā)展情景的模擬孿生；
4）最終通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入與人工智能自動(dòng)決策的自主孿生。
與此同時(shí)，大家也應(yīng)看見(jiàn)數(shù)字孿生在傳感器、5G和邊緣計(jì)算技術(shù)不斷發(fā)展中所具備的巨大潛力。傳感器的高密度部署與高精度感知，結(jié)合5G和邊緣計(jì)算的實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)化計(jì)算回傳，對(duì)城市物理空間的全域感知和實(shí)時(shí)更新，將是5G時(shí)代的常態(tài)。一磚一瓦、一草一木、一桌一椅、一人一車(chē)，都會(huì)以不同的頻率更新位置和狀態(tài)信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真正的“全息”虛擬城市。
2、城市數(shù)據(jù)：數(shù)字孿生的DNA
在智慧城市的建設(shè)中，數(shù)字孿生的核心內(nèi)容在于創(chuàng)建與城市物理空間全面映射的虛擬（信息）空間。有別于制造業(yè)產(chǎn)品周期管理中被制造商全面把握的產(chǎn)品信息化數(shù)據(jù)，城市作為一個(gè)龐大的復(fù)雜系統(tǒng)，其包含的物理空間及過(guò)程，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在形成著多維的海量大數(shù)據(jù)，這無(wú)疑是在數(shù)據(jù)收集、處理、運(yùn)算、儲(chǔ)存和管理上向城市數(shù)字孿生提出了挑戰(zhàn)。
近些年來(lái)，以數(shù)據(jù)為核心內(nèi)容的城市生態(tài)鏈構(gòu)架了智慧城市的頂層設(shè)計(jì)，形成以共享信息為中心、各行業(yè)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)的“感知－運(yùn)用－共享信息”的智慧城市模式。同時(shí)，在大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新興ICT技術(shù)的促進(jìn)下，多維的海量城市數(shù)據(jù)也逐步以不同方式被發(fā)掘并運(yùn)用在智慧城市的探究和實(shí)踐中。
傳統(tǒng)城市統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的電子化與空間可視化是城市大數(shù)據(jù)發(fā)展邁開(kāi)的第一步。基于GIS平臺(tái)上對(duì)行政邊界的勾繪，并將其與傳統(tǒng)的年鑒統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相匹配，就能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)的電子化與可視化，并依托于GIS空間分析功能實(shí)現(xiàn)空間可視化與分析。
互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的運(yùn)用意味著城市真正的邁入了大數(shù)據(jù)時(shí)代，而互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)也儼然成為近些年來(lái)城市研究的“寵兒”，不論是學(xué)界還是業(yè)界都在積極探索互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)為城市研究和發(fā)展帶來(lái)的諸多可能。
互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)最大的優(yōu)勢(shì)在于其沖破了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)自上而下的數(shù)據(jù)采集壁壘，而是以自下而上的方式提供著精細(xì)尺度下的多維數(shù)據(jù)，如記錄城市內(nèi)所有地理實(shí)體空間位置與屬性的興趣點(diǎn)（POI）數(shù)據(jù)；反映話(huà)題熱度與用戶(hù)畫(huà)像的社交媒體大數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)展示人口空間分布的熱力圖等。而伴隨著智慧城市的到來(lái)，傳感器技術(shù)的進(jìn)步與完善為城市研究提供了另一條數(shù)據(jù)獲取之路。
根據(jù)多模塊集成傳感器在城市內(nèi)部的架設(shè)，可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)尺度下城市環(huán)境、人車(chē)行為等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)感知與采集。如由CityGrid城市網(wǎng)格數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)站，可利用多模塊傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)人車(chē)流量及環(huán)境質(zhì)量，如風(fēng)速、風(fēng)向、光照、溫濕度和pm2.5等。CityGrid是一款專(zhuān)門(mén)針對(duì)城市空間精細(xì)化感知的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品，也是傳感器技術(shù)應(yīng)用在城市全域感知、數(shù)據(jù)采集，乃至實(shí)現(xiàn)城市未來(lái)微觀(guān)環(huán)境與人車(chē)行為預(yù)測(cè)的經(jīng)典案例。
LBS數(shù)據(jù)（基于位置服務(wù)的數(shù)據(jù)），根據(jù)運(yùn)營(yíng)商采集用戶(hù)與基站間無(wú)間斷的信令數(shù)據(jù)，來(lái)獲取移動(dòng)服務(wù)用戶(hù)相對(duì)精確的實(shí)時(shí)空間位置。因其具有用戶(hù)量大，覆蓋范圍廣等特征，是描述城市人口數(shù)量和空間分布的“終極”數(shù)據(jù)。
科技的突飛猛進(jìn)不僅使人們的生活方式發(fā)生了極大改變，與此同時(shí)也影響著城市運(yùn)行的各個(gè)方面。不可否認(rèn)的是，新技術(shù)的高速發(fā)展給城市研究與實(shí)踐帶來(lái)了新的機(jī)遇，促進(jìn)著城市規(guī)劃技術(shù)和工具的突破與創(chuàng)新。
與此同時(shí)，在信息通訊技術(shù)革新的推動(dòng)下，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、發(fā)掘、云計(jì)算和可視化等技術(shù)的完善也為研究城市提供了新視角。人們的思維模式從傳統(tǒng)的機(jī)械思維向大數(shù)據(jù)思維轉(zhuǎn)變，認(rèn)知方式也慢慢向虛實(shí)結(jié)合的體驗(yàn)過(guò)渡。城市數(shù)字孿生、數(shù)字自我的概念也將在第四次工業(yè)革命的技術(shù)革新下?lián)碛懈S富的內(nèi)涵。