數字孿生（Digital Twin）這一概念最早可以追溯到Michael Grieves教授2002年在密歇根大學PLM（產品生命周期管理）中心對產業界做的一次演講（雖然沒有書麵證據，但這仍被廣泛認為是數字孿生的最早來源）。

2014年

，Michael Grieves在其撰寫的“Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication”白皮書中進行了詳細的闡述。他認為通過物理設備的數據，可以在虛擬（信息）空(kong)間(jian)構(gou)建(jian)一(yi)個(ge)可(ke)以(yi)表(biao)征(zheng)該(gai)物(wu)理(li)設(she)備(bei)的(de)虛(xu)擬(ni)實(shi)體(ti)和(he)子(zi)係(xi)統(tong)，並(bing)且(qie)這(zhe)種(zhong)聯(lian)係(xi)不(bu)是(shi)單(dan)向(xiang)和(he)靜(jing)態(tai)的(de)
，而(er)是(shi)在(zai)整(zheng)個(ge)產(chan)品(pin)的(de)生(sheng)命(ming)周(zhou)期(qi)中(zhong)都(dou)聯(lian)係(xi)在(zai)一(yi)起(qi)。

在此之後，數字孿生的概念逐步擴展到了模擬仿真
、虛擬裝配和3D打印等領域。隨著物聯網技術、人工智能和虛擬現實技術的不斷發展，更多的工業產品、工(gong)業(ye)設(she)備(bei)具(ju)備(bei)了(le)智(zhi)能(neng)的(de)特(te)征(zheng)
，而(er)數(shu)字(zi)孿(luan)生(sheng)也(ye)逐(zhu)步(bu)擴(kuo)展(zhan)到(dao)了(le)包(bao)括(kuo)製(zhi)造(zao)和(he)服(fu)務(wu)在(zai)內(nei)的(de)完(wan)整(zheng)的(de)產(chan)品(pin)周(zhou)期(qi)階(jie)段(duan)，並(bing)不(bu)斷(duan)豐(feng)富(fu)著(zhe)數(shu)字(zi)孿(luan)生(sheng)的(de)形(xing)態(tai)和(he)概(gai)念(nian)。

企業界走在數字孿生的前列。工業4.0下的數字孿生被各大軟件廠商賦予了各自的理解，並將其與自身業務融合
，致力於打造出現實世界與虛擬世界融合的解決方案。

美國通用電器公司（GE）與ANSYS公司借助數字孿生這一概念
，提出物理機械和分析技術融合的實現途徑，讓每個引擎
，每個渦輪
，每台核磁共振都擁有一個數字化的“雙胞胎”
，並通過數字化模型在虛擬環境下實現機器人調試、試驗、優化運行狀態等模擬
，以便將最優方案應用在物理世界的機器上，從而節省大量維修
、調試成本。

ximenziyinyongshuziluanshengdegainian，laixingrongguanchuanyuchanpinshengmingzhouqigehuanjiejiandeshujumoxing。tongsudishuo
，shuziluanshengjiushifangzhenmoniyixiegongchangdeshijicaozuokongjian
，congchanpinshejidaochanxiansheji
，daoshebeizhizaofangdejixieshejihegongchangdeguihuapaichan，daozuihouzhizaozhixinghechanpindashuju。

faguoruanjiangongsidasuoxitongzaishuziluanshengchuangxinxiezuoheyanzhengzhong
，bujinzhongshichanpindeshuzihuabiaoxian，gengshitutongguosanweitiyanpingtaishixianshejishihekehuzhijiandehudong。

德國軟件公司SAP基於Leonardopingtaizaishuzishijiedazaoleyigewanzhengdeshuzihuashuangbaotai，zaichanpinshiyanjieduancaijishebeideyunxingzhuangkuang
，jinxingfenxi，dechuchanpindeshijixingneng，zaiyuxuqiushejidemubiaobijiao，xingchengchanpinyanfadebihuantixi。

簡而言之，工業4.0下的數字孿生，更多是為製造業提供了產品在物理空間和虛擬空間之間的映射關係，以及在實體世界以及數字虛擬空間中記錄、仿真、預測對象全生命周期的運行軌跡的過程。       

數字孿生：催生智慧城市2.0

值得注意的是，數字孿生的概念不僅活躍在工業4.0的製造業
，也越來越頻繁地出現在智慧城市領域。隨著ICT（信息、通信、技術）成為智慧城市發展的主要動能，移動通信、互聯網、雲計算
、傳感器、人工智能、量子通信在智慧城市都得到了廣泛應用。全域感知
、數字模擬、深度學習等各領域的技術發展也即將迎來拐點

，這使得城市的數字孿生應運而生。

中zhong國guo智zhi慧hui城cheng市shi數shu字zi孿luan生sheng的de發fa展zhan還hai有you很hen長chang一yi段duan路lu要yao走zou。數shu字zi孿luan生sheng高gao度du依yi賴lai傳chuan感gan器qi所suo采cai集ji的de數shu據ju和he信xin息xi
，而er就jiu目mu前qian的de技ji術shu水shui平ping來lai看kan，精jing細xi化hua尺chi度du下xia城cheng市shi數shu據ju的de全quan域yu感gan知zhi和he曆li史shi多duo維wei數shu據ju的de獲huo取qu，依yi舊jiu有you難nan度du。物wu理li實shi體ti空kong間jian的de數shu據ju不bu夠gou詳xiang盡jin，將jiang直zhi接jie導dao致zhi其qi數shu字zi副fu本ben的de缺que失shi。

現階段的數字孿生距離想象中的沙盒係統模擬推演、人工智能決策等功能仍有很大差距。

數shu字zi孿luan生sheng在zai智zhi慧hui城cheng市shi發fa展zhan與yu建jian設she中zhong的de核he心xin價jia值zhi在zai於yu，它ta能neng夠gou在zai物wu理li世shi界jie和he數shu字zi世shi界jie之zhi間jian全quan麵mian建jian立li實shi時shi聯lian係xi，進jin而er對dui操cao作zuo對dui象xiang全quan生sheng命ming周zhou期qi的de變bian化hua進jin行xing記ji錄lu
、分析和預測。智慧城市中的數字孿生可以分為四個階段，分別是：

1. 對城市現狀進行精準、全麵、動態映射的現狀孿生
   
   ；
2. 從曆史數據中學習、分析、識別、總結並發現城市運行規律的學習孿生
   ；
3. 人工監督下模擬不同環境背景下的發展情景的模擬孿生
   ；
4. 最終通過實時數據接入與人工智能自動決策的自主孿生。

同時，我們也應看到數字孿生在傳感器
、5G和邊緣計算技術不斷發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，結合5G和邊緣計算的實時結構化計算回傳，對城市物理空間的全域感知和實時更新，將是5G時代的常態。一磚一瓦
、一草一木、一桌一椅、一人一車，都會以不同的頻率更新位置和狀態信息
，從而實現真正的“全息”虛擬城市。     

城市數據：數字孿生的DNA

在智慧城市的建設中，數字孿生的核心在於構建與城市物理空間全麵映射的虛擬（信息）空(kong)間(jian)。不(bu)同(tong)於(yu)製(zhi)造(zao)業(ye)產(chan)品(pin)周(zhou)期(qi)管(guan)理(li)中(zhong)被(bei)製(zhi)造(zao)商(shang)全(quan)麵(mian)掌(zhang)握(wo)的(de)產(chan)品(pin)信(xin)息(xi)化(hua)數(shu)據(ju)，城(cheng)市(shi)作(zuo)為(wei)一(yi)個(ge)龐(pang)大(da)的(de)複(fu)雜(za)係(xi)統(tong)，其(qi)包(bao)含(han)的(de)物(wu)理(li)空(kong)間(jian)及(ji)過(guo)程(cheng)，無(wu)時(shi)無(wu)刻(ke)不(bu)在(zai)產(chan)生(sheng)著(zhe)多(duo)維(wei)的(de)海(hai)量(liang)大(da)數(shu)據(ju)，這(zhe)無(wu)疑(yi)在(zai)數(shu)據(ju)收(shou)集(ji)、處理、運算、儲存和管理上向城市數字孿生提出了挑戰。

近年來，以數據為核心的城市生態鏈構架了智慧城市的頂層設計，形成以共享信息為中心、各行業協同實現的“感知－應用－共享信息”的智慧城市模式。與此同時，在大數據、人工智能、雲計算

、物聯網等新興ICT技術的推動下
，多維的海量城市數據也逐步以不同方式被挖掘並應用在智慧城市的研究和實踐中。

傳統城市統計數據的電子化與空間可視化是城市大數據發展邁出的第一步。基於GIS平台上對行政邊界的勾繪，並將其與傳統的年鑒統計數據相匹配
，就能實現傳統數據的電子化與可視化
，並依托GIS空間分析功能實現空間可視化與分析。

互聯網大數據的應用標誌著城市真正邁入了大數據時代，而互聯網大數據也儼然成為近年來城市研究的“寵兒”，無論是學界還是業界都在積極探索互聯網大數據為城市研究和發展帶來的諸多可能。

互(hu)聯(lian)網(wang)大(da)數(shu)據(ju)最(zui)大(da)的(de)優(you)勢(shi)在(zai)於(yu)其(qi)打(da)破(po)了(le)傳(chuan)統(tong)數(shu)據(ju)自(zi)上(shang)而(er)下(xia)的(de)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)壁(bi)壘(lei)
，而(er)是(shi)以(yi)自(zi)下(xia)而(er)上(shang)的(de)方(fang)式(shi)提(ti)供(gong)著(zhe)精(jing)細(xi)尺(chi)度(du)下(xia)的(de)多(duo)維(wei)數(shu)據(ju)
，如(ru)記(ji)錄(lu)城(cheng)市(shi)內(nei)所(suo)有(you)地(di)理(li)實(shi)體(ti)空(kong)間(jian)位(wei)置(zhi)與(yu)屬(shu)性(xing)的(de)興(xing)趣(qu)點(dian)（POI）數據；反映話題熱度與用戶畫像的社交媒體大數據；實時展示人口空間分布的熱力圖等。

而隨著智慧城市的到來
，傳感器技術的進步與成熟為城市研究提供了另一條數據獲取之路。

通過多模塊集成傳感器在城市內部的架設

，可以實現精細尺度下城市環境、人車行為等數據的實時感知與收集。如由City Grid城市網格數據監測站
，可利用多模塊傳感器網絡監測人車流量及環境質量

，如風速、風向、光照、溫濕度和pm2.5等。City Grid是一款針對城市空間精細化感知的物聯網產品，也是傳感器技術應用在城市全域感知、數據采集
，乃至實現城市未來微觀環境與人車行為預測的經典案例。王鵬團隊也曾多次利用City Grid多次在清華大學校園和白塔寺社區內進行監測布點
、數據采集，並針對城市環境和人群行為開展深入分析。

LBS數據（基於位置服務的數據），通tong過guo運yun營ying商shang采cai集ji用yong戶hu與yu基ji站zhan間jian不bu間jian斷duan的de信xin令ling數shu據ju，來lai獲huo取qu移yi動dong服fu務wu用yong戶hu相xiang對dui精jing確que的de實shi時shi空kong間jian位wei置zhi。因yin其qi具ju備bei用yong戶hu量liang大da，覆fu蓋gai範fan圍wei廣guang等deng特te征zheng，是shi描miao述shu城cheng市shi人ren口kou數shu量liang和he空kong間jian分fen布bu的de“終極”數據。

我們把自己數字化了：Digital Self 數字自我

在感歎數字孿生如何顛覆性地改變製造業和城市管理與運營的同時
，有學者已經開始探索如何打造人類個體的數字雙胞胎。

清華大學龍瀛團隊的研究助理張昭希近期發表了一篇題為“Application of wearable cameras in studying individual behaviors in built environment”的期刊論文，提出創新性地使用可穿戴式相機對個體行為和城市空間感知進行數據收集、分析與模擬。

研究團隊利用便攜式相機
，記錄佩戴者正前方每5分鍾一張的圖片數據
，並通過人工識別、計算機視覺分析和色彩識別分析等手段

，對佩戴者個體行為特征、時間分配、路徑轉移、場(chang)所(suo)事(shi)件(jian)等(deng)要(yao)素(su)進(jin)行(xing)了(le)分(fen)析(xi)研(yan)究(jiu)。研(yan)究(jiu)結(jie)果(guo)表(biao)明(ming)，可(ke)穿(chuan)戴(dai)式(shi)相(xiang)機(ji)采(cai)集(ji)到(dao)的(de)圖(tu)片(pian)數(shu)據(ju)具(ju)有(you)豐(feng)富(fu)的(de)個(ge)體(ti)行(xing)為(wei)與(yu)時(shi)空(kong)信(xin)息(xi)，可(ke)以(yi)有(you)效(xiao)描(miao)述(shu)個(ge)體(ti)在(zai)空(kong)間(jian)中(zhong)的(de)行(xing)為(wei)特(te)征(zheng)。

隨著大數據在城市研究中的廣泛應用和快速發展，基於建成環境層麵的形態要素數據（如遙感、街景和POI數據）和多種互聯網數據（如微博、點評和手機信令數據）kaizhandezhenduidaguimoquntideyanjiu
，weiliyongdashujujieshichengshiwentitigongledalianganlicankao，bingzhubujianlilelilunjichu。raner，zhexiejiyujiaocuchiduchengshiwulikongjian，yihuoshidaguimoquntidedashuju，rengjiaonanbeiyingyongyugetideshencengpouxiheyanjiujiedu。

而可穿戴式相機為大規模采集個體數據提供了新的契機

，通過記錄的圖片數據將個人活動信息數字化
，形成“數字自我”的電子檔案
，彌補了現有研究中對個體行為數據采集不夠連續、weidubugoufengfudewenti，zheyeshicongchengshihuanjingshujuhuaxianggetixingweixinxihuadezhuanbianzhiyi。tongshi，getixingweixinxihuayejiangtuidongyanjiufangfadegexinhexinjishudejieru，congzhuguande“個體感知”轉向客觀的“量化研究”。

從(cong)數(shu)字(zi)孿(luan)生(sheng)的(de)角(jiao)度(du)來(lai)看(kan)，基(ji)於(yu)可(ke)穿(chuan)戴(dai)式(shi)相(xiang)機(ji)記(ji)錄(lu)下(xia)的(de)圖(tu)片(pian)數(shu)據(ju)，通(tong)過(guo)整(zheng)理(li)和(he)分(fen)析(xi)可(ke)以(yi)剝(bo)離(li)出(chu)個(ge)體(ti)在(zai)物(wu)理(li)空(kong)間(jian)中(zhong)的(de)行(xing)為(wei)特(te)征(zheng)要(yao)素(su)，進(jin)一(yi)步(bu)將(jiang)這(zhe)些(xie)個(ge)體(ti)行(xing)為(wei)特(te)征(zheng)要(yao)素(su)在(zai)時(shi)空(kong)上(shang)數(shu)字(zi)化(hua)

，從(cong)而(er)構(gou)建(jian)了(le)其(qi)在(zai)虛(xu)擬(ni)（信息）空(kong)間(jian)內(nei)的(de)數(shu)字(zi)雙(shuang)胞(bao)胎(tai)。同(tong)時(shi)
，圖(tu)片(pian)數(shu)據(ju)中(zhong)包(bao)含(han)的(de)大(da)量(liang)物(wu)理(li)空(kong)間(jian)建(jian)成(cheng)環(huan)境(jing)要(yao)素(su)同(tong)樣(yang)可(ke)以(yi)被(bei)數(shu)字(zi)化(hua)並(bing)記(ji)錄(lu)在(zai)虛(xu)擬(ni)空(kong)間(jian)內(nei)，從(cong)而(er)反(fan)映(ying)物(wu)理(li)空(kong)間(jian)和(he)虛(xu)擬(ni)空(kong)間(jian)內(nei)個(ge)體(ti)和(he)環(huan)境(jing)之(zhi)間(jian)的(de)交(jiao)互(hu)。

kejiderixinyueyibujinshirenmendeshenghuofangshifashenglejudagaibian，tongshiyeyingxiangzhechengshiyunxingdefangfangmianmian。bukezhifoudeshi，xinjishudegaosufazhangeichengshiyanjiuyushijiandailailexindejiyu，tuidongzhechengshiguihuajishuhegongjudetupoyuchuangxin。rulongyingtichudeshujuzengqiangsheji
，yunxuguihuashimenjiezhuduoweichengshidashujuduichengshizuochugengquanmian、精準的分析與規劃設計響應。

同時
，在信息通訊技術革新的助力下，數據儲存、挖掘、雲yun計ji算suan和he可ke視shi化hua等deng技ji術shu的de完wan善shan也ye為wei研yan究jiu城cheng市shi提ti供gong了le新xin視shi角jiao。人ren們men的de思si維wei方fang式shi從cong傳chuan統tong的de機ji械xie思si維wei向xiang大da數shu據ju思si維wei轉zhuan變bian
，認ren知zhi方fang式shi也ye逐zhu漸jian向xiang虛xu實shi結jie合he的de體ti驗yan過guo度du。城cheng市shi數shu字zi孿luan生sheng、數字自我的概念也將在第四次工業革命的技術革新下擁有更豐富的內涵。

（本ben文wen為wei作zuo者zhe陳chen龍long結jie合he華hua為wei公gong司si智zhi慧hui城cheng市shi高gao級ji顧gu問wen王wang鵬peng在zai集ji智zhi俱ju樂le部bu沙sha龍long上shang的de部bu分fen演yan講jiang內nei容rong，以yi及ji清qing華hua大da學xue龍long瀛ying團tuan隊dui在zai人ren類lei數shu字zi化hua上shang的de最zui新xin研yan究jiu
，提ti出chu的de對dui城cheng市shi和he個ge體ti虛xu擬ni化hua等deng問wen題ti的de探tan討tao。）