數字孿生與數字治理
新一輪科技革命和產業(yè)革命的深入推進，正不斷重塑全球創(chuàng)新版圖，數字化治理已經成為社會治理、經濟治理、國防與軍隊建設等各領域的時代要求?！笆奈濉币?guī)劃指出：“迎接數字時代，激活數據要素潛能，推進網絡強國建設，加快建設數字經濟、數字社會、數字政府，以數字化轉型整體驅動生產方式、生活方式和治理方式變革。”面對數字治理這一時代命題，需要從復雜系統理論認知入手，分析數字治理復雜性的基本特征及方法論需求。數字孿生（Digital Twin）把系統工程理論與科學前沿相結合，將作為一種新的技術引擎推動社會治理等關鍵領域數字治理模式的深刻變革。
1、基于復雜系統理論的數字治理
數字治理的內涵
數字治理是在數字技術條件下，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同參與相關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，是多元主體協同參與、數字化賦能的治理，涉及數字經濟、數字社會、數字政府、數字城市等多個領域，呈現出高維度、強關聯、多層次、開放性、全局性等特點。
數字治理的復雜性特征
復雜系統理論為解析數字治理問題提供了支點。從系統科學的角度看來，數字治理的主體與對象構成的系統均具備復雜適應系統的特征。一方面，這些系統由大量具備適應性的主體構成，主體能夠與環(huán)境以及其他主體進行交互，“學習”和“積累經驗”，并根據學到的“經驗”改變自身結構和行為方式以更好地適應環(huán)境。例如，社會系統中的主體——人通過千姿百態(tài)的合作、競爭、矛盾、沖突關系，演繹出復雜的交互行為，造就了社會系統的復雜性。另一方面，系統的演進呈現不確定性。不確定性導致“因果不再一一對應，也不會是完全唯一”。經濟運行過程受多因素影響且難以準確預測就是復雜系統不確定性的例證。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，治理系統還呈現出層次涌現的特點，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。城市本身體現了這種層次涌現性：從小尺度（微觀）看，城市的各個子系統（如交通系統）由眾多結構各異、行為高度不確定的主體構成，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）本質認知
建立復雜系統的科學邏輯，從全局的、聯系的、動態(tài)的視角，關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)展之間的關系，提煉其演化的共性規(guī)律。
（2）開放系統
封閉的復雜系統最終會趨于崩潰或消亡，開放的系統才能從周圍環(huán)境獲取能量、正向演進、發(fā)展、躍遷。因此在數字治理過程中，要構建開放架構，實現系統要素的有機關聯與流動。
（3）虛實共生
數字治理方法應當構建虛實結合的平行系統建?？蚣埽脛討B(tài)的真實數據支撐對系統運行規(guī)律的解析。
（4）動態(tài)演進
關注治理對象系統全生命周期演進的過程，提升回顧過去、把握現在、預測未來的能力，為全生命周期的數字治理提供輔助決策支持。
2、數字孿生解決方案
數字孿生的起源
數字孿生最早起源于復雜航天系統工程探索。從1969年NASA的“阿波羅計劃”實體孿生體構造，到2003年提出裝備數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“數字孿生范式”，再到現在的廣義數字孿生階段，數字孿生逐步成為一種改造現實世界的通用目的技術。
數字孿生的本質內涵
數字孿生出現的幾十年間，得到了學術界、標準化組織、企業(yè)的廣泛關注，但目前尚無公認的標準定義。理解數字孿生的內涵可從其特征入手。
圖1 數字孿生的特征內涵
如圖，從對象域看，人、裝備、組織、環(huán)境、產業(yè)或者抽象對象均可作為數字孿生的對象；從要素域看，數字孿生體的屬性包括結構、屬性、狀態(tài)、機理、活動、行為及其聯系等；從作用域看，物理實體通過建模和物聯數據驅動數字孿生體，數字孿生體則依托AI、大數據、仿真等技術，實現對物理實體的反向控制；從成果形式來看，數字孿生體在伴隨現實世界運行過程中產生的數據、模型、系統和標準構成與現實世界對應的數字資產，數字孿生體在物理實體真實數據的“喂養(yǎng)”下，成長為自循環(huán)、自適應、自學習、自演進的“數字生命體”。
綜上，數字孿生具有虛實共生、數據驅動、數字資產、開放架構、生命特征五大特點。它并非單一特定技術，而是提供了一種開放、靈活、彈性的技術框架來不斷承載新興技術，進而涌現出單項技術所不具備的能力，驅動孿生對象不斷進化，構造出與現實世界虛實映射的數字空間，在數字空間回溯歷史、把握現在、預測未來，提高對復雜系統全生命周期動態(tài)演化機理與規(guī)律的洞察力與控制力。
數字孿生在不同領域的形態(tài)
數字孿生這一方法論與不同領域結合后呈現出不同形態(tài)。根據孿生對象的物理特征，可分為部件級、系統級、體系級；根據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)領域依據其關注的重點，構建不同層級、不同時態(tài)、不同狀態(tài)的數字孿生體，滿足不同行業(yè)對象全生命周期管理的彈性需求。
數字孿生發(fā)展演進
數字孿生是尚處于發(fā)展進程中的方法體系，數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，如在數字孿生城市、數字孿生工廠中運用三維建模工具，描述產品形狀、尺寸、位置、裝配關系等幾何參數，實現“以虛仿實”；在幾何孿生之上，融合數據與規(guī)則，構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據，實現“以虛控實”；通過數據驅動數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“虛實共生”。
圖2 數字孿生演進路線
3、數字孿生驅動數字治理
如前文所述，針對數字治理復雜系統的基本特征，我們可以充分利用數字孿生“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，用數字孿生驅動數字治理，為數字治理提供基于數字孿生的整體解決方案。
圖3 數字孿生驅動數字治理
（1）理解
以復雜適應系統理論為基礎，挖掘經濟、政治、文化、社會、生態(tài)文明建設等各個領域數字治理對象的內在復雜規(guī)律，使自上而下的數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
從復雜系統運行角度，利用傳感器采集、數據融合、數字建模等方法，構建與物理空間實時動態(tài)映射的數字空間，形成實體控制環(huán)與虛擬試驗環(huán)雙環(huán)耦合驅動的系統運行模式。
（3）計算
在虛實映射、雙環(huán)驅動的過程中，將物理空間反饋的數據、現象、事件等多源異構信息間的邏輯關系轉化為可理解、可應用的知識，反映系統內在規(guī)律，挖掘“隱秩序”。
（4）模擬
充分發(fā)揮數字孿生系統可見、連接、假設、預測的優(yōu)勢，構建經濟、社會、城市等治理對象的數字孿生體，實現回顧過去、把握現在、預測未來的治理目標。
（5）賦能
通過上述工作，構建可感知、可理解、可計算、可決策、可進化的數字治理系統，突破當前治理條塊分割的現狀，眾籌群智，統籌協調經濟、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代化水平。
4、數字治理實踐
截至目前，數字孿生已在國內外頂層戰(zhàn)略規(guī)劃中多次出現，如美國《數字工程戰(zhàn)略》，英國《國家數字孿生體原則》、俄羅斯《俄羅斯聯邦數字經濟規(guī)劃》、德國工業(yè)4.0平臺、我國《“十四五”規(guī)劃》、《數字經濟發(fā)展規(guī)劃》等。同時，數字孿生技術已在航空航天、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，涌現了“機體數字孿生”、“虛擬宙斯盾”、“虛擬新加坡”、“數字孿生生產線”等一系列項目，數字孿生技術應用正煥發(fā)勃勃生機。
面向數字治理多個領域需求，航天數字孿生團隊從復雜系統全生命周期動態(tài)運行視角出發(fā)，以數字孿生為引擎，融合人工智能、泛在感知、區(qū)塊鏈等前沿技術，打造了數字孿生操作系統（Digital Twin Operating System）——DTOS。
圖4 DTOS架構
DTOS是運用數字孿生理念設計研發(fā)的廣義操作系統，以統一的架構和技術規(guī)范，集成IoT、AI、仿真、區(qū)塊鏈等前沿技術，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聯汽車協同發(fā)展）、市域社會治理、數字政府等領域落地應用。構建了城市建筑、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的認知，并在此基礎上，探索復雜性場景下的系統建模、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，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、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周年國慶數字閱兵
圖6 “雙智”城市應用
圖7 公共安全應急推演
結 語
數字孿生技術方興未艾，與數字治理的融合既符合復雜問題的破題需求，又是技術發(fā)展的大勢所趨。期待與數字孿生技術應用工作委員會以及業(yè)界同仁共同探討，共同推動數字孿生技術在數字治理領域縱深發(fā)展。
轉載來源：數字孿生技術應用工作委員會
