數(shù)字孿生與數(shù)字治理
新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的深入推進，正不斷重塑全球創(chuàng)新版圖，數(shù)字化治理已經(jīng)成為社會治理、經(jīng)濟治理、國防與軍隊建設等各領域的時代要求?！笆奈濉币?guī)劃指出：“迎接數(shù)字時代，激活數(shù)據(jù)要素潛能，推進網(wǎng)絡強國建設，加快建設數(shù)字經(jīng)濟、數(shù)字社會、數(shù)字政府，以數(shù)字化轉(zhuǎn)型整體驅(qū)動生產(chǎn)方式、生活方式和治理方式變革?！泵鎸?shù)字治理這一時代命題，需要從復雜系統(tǒng)理論認知入手，分析數(shù)字治理復雜性的基本特征及方法論需求。數(shù)字孿生（Digital Twin）把系統(tǒng)工程理論與科學前沿相結(jié)合，將作為一種新的技術(shù)引擎推動社會治理等關(guān)鍵領域數(shù)字治理模式的深刻變革。
1、基于復雜系統(tǒng)理論的數(shù)字治理
數(shù)字治理的內(nèi)涵
數(shù)字治理是在數(shù)字技術(shù)條件下，以政府為主導，平臺與企業(yè)、社會組織、社群、公民個人等多元主體協(xié)同參與相關(guān)事務的過程和制度安排。它是包含發(fā)展的治理，是以公共利益增進、個人福祉提升為目標的治理，是多元主體協(xié)同參與、數(shù)字化賦能的治理，涉及數(shù)字經(jīng)濟、數(shù)字社會、數(shù)字政府、數(shù)字城市等多個領域，呈現(xiàn)出高維度、強關(guān)聯(lián)、多層次、開放性、全局性等特點。
數(shù)字治理的復雜性特征
復雜系統(tǒng)理論為解析數(shù)字治理問題提供了支點。從系統(tǒng)科學的角度看來，數(shù)字治理的主體與對象構(gòu)成的系統(tǒng)均具備復雜適應系統(tǒng)的特征。一方面，這些系統(tǒng)由大量具備適應性的主體構(gòu)成，主體能夠與環(huán)境以及其他主體進行交互，“學習”和“積累經(jīng)驗”，并根據(jù)學到的“經(jīng)驗”改變自身結(jié)構(gòu)和行為方式以更好地適應環(huán)境。例如，社會系統(tǒng)中的主體——人通過千姿百態(tài)的合作、競爭、矛盾、沖突關(guān)系，演繹出復雜的交互行為，造就了社會系統(tǒng)的復雜性。另一方面，系統(tǒng)的演進呈現(xiàn)不確定性。不確定性導致“因果不再一一對應，也不會是完全唯一”。經(jīng)濟運行過程受多因素影響且難以準確預測就是復雜系統(tǒng)不確定性的例證。在此情形下，治理的目的是通過化解不確定性來作出更有利的決策。除適應性和不確定性外，治理系統(tǒng)還呈現(xiàn)出層次涌現(xiàn)的特點，即低層次的主體通過相互作用組成更高層次、更復雜的組織，這些組織擁有低層次主體本身不具備的特性。城市本身體現(xiàn)了這種層次涌現(xiàn)性：從小尺度（微觀）看，城市的各個子系統(tǒng)（如交通系統(tǒng)）由眾多結(jié)構(gòu)各異、行為高度不確定的主體構(gòu)成，需要大量信息才能描述，復雜度非常高；但從大尺度（宏觀）看，我們又可以找到一些簡單優(yōu)美的規(guī)律來描述城市，比如城市的規(guī)模與其對基礎設施需求之間的冪律關(guān)系等。
解決復雜性問題的方法論要求
解決復雜性問題需要革新性的方法論。解決復雜的數(shù)字治理問題的方法論應當滿足以下四個方面的需求：
（1）本質(zhì)認知
建立復雜系統(tǒng)的科學邏輯，從全局的、聯(lián)系的、動態(tài)的視角，關(guān)注治理對象局部與整體、短期與長期、無序與有序、競爭與發(fā)展之間的關(guān)系，提煉其演化的共性規(guī)律。
（2）開放系統(tǒng)
封閉的復雜系統(tǒng)最終會趨于崩潰或消亡，開放的系統(tǒng)才能從周圍環(huán)境獲取能量、正向演進、發(fā)展、躍遷。因此在數(shù)字治理過程中，要構(gòu)建開放架構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)要素的有機關(guān)聯(lián)與流動。
（3）虛實共生
數(shù)字治理方法應當構(gòu)建虛實結(jié)合的平行系統(tǒng)建?？蚣?，用動態(tài)的真實數(shù)據(jù)支撐對系統(tǒng)運行規(guī)律的解析。
（4）動態(tài)演進
關(guān)注治理對象系統(tǒng)全生命周期演進的過程，提升回顧過去、把握現(xiàn)在、預測未來的能力，為全生命周期的數(shù)字治理提供輔助決策支持。
2、數(shù)字孿生解決方案
數(shù)字孿生的起源
數(shù)字孿生最早起源于復雜航天系統(tǒng)工程探索。從1969年NASA的“阿波羅計劃”實體孿生體構(gòu)造，到2003年提出裝備數(shù)字孿生體來描述實體全生命周期的運行軌跡，2009年DARPA探討提出“數(shù)字孿生范式”，再到現(xiàn)在的廣義數(shù)字孿生階段，數(shù)字孿生逐步成為一種改造現(xiàn)實世界的通用目的技術(shù)。
數(shù)字孿生的本質(zhì)內(nèi)涵
數(shù)字孿生出現(xiàn)的幾十年間，得到了學術(shù)界、標準化組織、企業(yè)的廣泛關(guān)注，但目前尚無公認的標準定義。理解數(shù)字孿生的內(nèi)涵可從其特征入手。
圖1 數(shù)字孿生的特征內(nèi)涵
如圖，從對象域看，人、裝備、組織、環(huán)境、產(chǎn)業(yè)或者抽象對象均可作為數(shù)字孿生的對象；從要素域看，數(shù)字孿生體的屬性包括結(jié)構(gòu)、屬性、狀態(tài)、機理、活動、行為及其聯(lián)系等；從作用域看，物理實體通過建模和物聯(lián)數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字孿生體，數(shù)字孿生體則依托AI、大數(shù)據(jù)、仿真等技術(shù)，實現(xiàn)對物理實體的反向控制；從成果形式來看，數(shù)字孿生體在伴隨現(xiàn)實世界運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、模型、系統(tǒng)和標準構(gòu)成與現(xiàn)實世界對應的數(shù)字資產(chǎn)，數(shù)字孿生體在物理實體真實數(shù)據(jù)的“喂養(yǎng)”下，成長為自循環(huán)、自適應、自學習、自演進的“數(shù)字生命體”。
綜上，數(shù)字孿生具有虛實共生、數(shù)據(jù)驅(qū)動、數(shù)字資產(chǎn)、開放架構(gòu)、生命特征五大特點。它并非單一特定技術(shù)，而是提供了一種開放、靈活、彈性的技術(shù)框架來不斷承載新興技術(shù)，進而涌現(xiàn)出單項技術(shù)所不具備的能力，驅(qū)動孿生對象不斷進化，構(gòu)造出與現(xiàn)實世界虛實映射的數(shù)字空間，在數(shù)字空間回溯歷史、把握現(xiàn)在、預測未來，提高對復雜系統(tǒng)全生命周期動態(tài)演化機理與規(guī)律的洞察力與控制力。
數(shù)字孿生在不同領域的形態(tài)
數(shù)字孿生這一方法論與不同領域結(jié)合后呈現(xiàn)出不同形態(tài)。根據(jù)孿生對象的物理特征，可分為部件級、系統(tǒng)級、體系級；根據(jù)孿生對象的時空特性，分為歷史態(tài)、實時態(tài)、未來態(tài)；根據(jù)孿生對象的運行機理，可分為設計態(tài)、制造態(tài)、運行態(tài)。不同行業(yè)領域依據(jù)其關(guān)注的重點，構(gòu)建不同層級、不同時態(tài)、不同狀態(tài)的數(shù)字孿生體，滿足不同行業(yè)對象全生命周期管理的彈性需求。
數(shù)字孿生發(fā)展演進
數(shù)字孿生是尚處于發(fā)展進程中的方法體系，數(shù)字孿生應用也存在不同的成熟度等級。當前應用最廣的是幾何孿生，如在數(shù)字孿生城市、數(shù)字孿生工廠中運用三維建模工具，描述產(chǎn)品形狀、尺寸、位置、裝配關(guān)系等幾何參數(shù)，實現(xiàn)“以虛仿實”；在幾何孿生之上，融合數(shù)據(jù)與規(guī)則，構(gòu)建具備較為完整的運動和控制邏輯的模型，接收物理世界的真實數(shù)據(jù)，實現(xiàn)“以虛控實”；通過數(shù)據(jù)驅(qū)動數(shù)字模型與物理實體共生長、共進化，形成可應對不確定性的，具備自學習、自演進能力的數(shù)字生命體，“以虛預實”、“以虛優(yōu)實”，最終達到自主動態(tài)孿生的理想狀態(tài)，實現(xiàn)“虛實共生”。
圖2 數(shù)字孿生演進路線
3、數(shù)字孿生驅(qū)動數(shù)字治理
如前文所述，針對數(shù)字治理復雜系統(tǒng)的基本特征，我們可以充分利用數(shù)字孿生“由實生虛、以虛控實、虛實互動、共生演進”的特點優(yōu)勢，沿著“理解、認知、計算、模擬、賦能”的鏈條，用數(shù)字孿生驅(qū)動數(shù)字治理，為數(shù)字治理提供基于數(shù)字孿生的整體解決方案。
圖3 數(shù)字孿生驅(qū)動數(shù)字治理
（1）理解
以復雜適應系統(tǒng)理論為基礎，挖掘經(jīng)濟、政治、文化、社會、生態(tài)文明建設等各個領域數(shù)字治理對象的內(nèi)在復雜規(guī)律，使自上而下的數(shù)字治理模型與治理對象的發(fā)展邏輯與規(guī)律相匹配。
（2）認知
從復雜系統(tǒng)運行角度，利用傳感器采集、數(shù)據(jù)融合、數(shù)字建模等方法，構(gòu)建與物理空間實時動態(tài)映射的數(shù)字空間，形成實體控制環(huán)與虛擬試驗環(huán)雙環(huán)耦合驅(qū)動的系統(tǒng)運行模式。
（3）計算
在虛實映射、雙環(huán)驅(qū)動的過程中，將物理空間反饋的數(shù)據(jù)、現(xiàn)象、事件等多源異構(gòu)信息間的邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)化為可理解、可應用的知識，反映系統(tǒng)內(nèi)在規(guī)律，挖掘“隱秩序”。
（4）模擬
充分發(fā)揮數(shù)字孿生系統(tǒng)可見、連接、假設、預測的優(yōu)勢，構(gòu)建經(jīng)濟、社會、城市等治理對象的數(shù)字孿生體，實現(xiàn)回顧過去、把握現(xiàn)在、預測未來的治理目標。
（5）賦能
通過上述工作，構(gòu)建可感知、可理解、可計算、可決策、可進化的數(shù)字治理系統(tǒng)，突破當前治理條塊分割的現(xiàn)狀，眾籌群智，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)經(jīng)濟、社會、城市治理，解決應急、交通、防疫、城市生命線等行業(yè)痛點問題，提升治理能力體系現(xiàn)代化水平。
4、數(shù)字治理實踐
截至目前，數(shù)字孿生已在國內(nèi)外頂層戰(zhàn)略規(guī)劃中多次出現(xiàn)，如美國《數(shù)字工程戰(zhàn)略》，英國《國家數(shù)字孿生體原則》、俄羅斯《俄羅斯聯(lián)邦數(shù)字經(jīng)濟規(guī)劃》、德國工業(yè)4.0平臺、我國《“十四五”規(guī)劃》、《數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展規(guī)劃》等。同時，數(shù)字孿生技術(shù)已在航空航天、軍事作戰(zhàn)、工業(yè)制造、城市管理、社會治理等領域得到廣泛應用，涌現(xiàn)了“機體數(shù)字孿生”、“虛擬宙斯盾”、“虛擬新加坡”、“數(shù)字孿生生產(chǎn)線”等一系列項目，數(shù)字孿生技術(shù)應用正煥發(fā)勃勃生機。
面向數(shù)字治理多個領域需求，航天數(shù)字孿生團隊從復雜系統(tǒng)全生命周期動態(tài)運行視角出發(fā)，以數(shù)字孿生為引擎，融合人工智能、泛在感知、區(qū)塊鏈等前沿技術(shù)，打造了數(shù)字孿生操作系統(tǒng)（Digital Twin Operating System）——DTOS。
圖4 DTOS架構(gòu)
DTOS是運用數(shù)字孿生理念設計研發(fā)的廣義操作系統(tǒng)，以統(tǒng)一的架構(gòu)和技術(shù)規(guī)范，集成IoT、AI、仿真、區(qū)塊鏈等前沿技術(shù)，打通虛實空間壁壘，形成可支撐多領域智慧應用的智能底座?；贒TOS，我們在國家“雙智”（智慧城市基礎設施與智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同發(fā)展）、市域社會治理、數(shù)字政府等領域落地應用。構(gòu)建了城市建筑、車輛、道路、基礎設施、社會人群、裝備等治理對象的孿生體，不斷挖掘、沉淀對各個領域系統(tǒng)的認知，并在此基礎上，探索復雜性場景下的系統(tǒng)建模、演化與控制機制，基于“可感、可知、可視、可控”理念，搭建了自適應、自響應、正態(tài)反饋的智能化管理系統(tǒng)，支持實時感知-虛實互生-智能分析-一體化指揮運營-一體化交互展示，有效促進了城市交通、地下生命線系統(tǒng)、市域社會治理、低空安全等治理對象的全生命周期管理與服務。
圖5 70周年國慶數(shù)字閱兵
圖6 “雙智”城市應用
圖7 公共安全應急推演
結(jié) 語
數(shù)字孿生技術(shù)方興未艾，與數(shù)字治理的融合既符合復雜問題的破題需求，又是技術(shù)發(fā)展的大勢所趨。期待與數(shù)字孿生技術(shù)應用工作委員會以及業(yè)界同仁共同探討，共同推動數(shù)字孿生技術(shù)在數(shù)字治理領域縱深發(fā)展。
轉(zhuǎn)載來源：數(shù)字孿生技術(shù)應用工作委員會
