近幾年來，數字孿生理念慢慢走進了人們的視野。所謂數字孿生（Digital Twins），是指用計算機程序模擬現實世界中的物理實體或物理實體組成的系統，類似這些實體或系統在計算機程序中的雙胞胎。兩者不僅外觀相同，而且心靈相通，任何一方發生變化，另外一方都能夠馬上體現出來。利用這個特點，用戶通過計算機就可以了解物理實體的真實狀況，并通過預定義的接口對物理實體進行控制。

孿生（Twin）理念的實際應用，最早可追溯到美國國家航空航天局（NASA）的阿波羅項目。在該項目中，NASA需要制造兩個完全一樣的空間飛行器，留在地球上的飛行器被稱為孿生體（Twin），用來反映正在執行任務的空間飛行器的狀態。

在飛行準備期間，孿生體空間飛行器被廣泛應用于訓練；在任務執行期間，利用該孿生體盡可能精確地反映和預測正在執行任務的空間飛行器的狀態，從而讓地面人員協助航天員在緊急情況下做出最正確的決策。從這個角度可以看出，孿生應用具備兩個顯著特點：

1、孿生體與其所要反映的對象在外表（指產品的幾何形狀和尺寸）、內容（指產品的結構組成及其宏觀微觀物理特性）和性質（指產品的功能和性能）上基本完全一樣；

2、允許通過仿真等方式來鏡像/反映真實的運行情況/狀態。

需要指出的是，此時的孿生體還是實物。

而數字孿生的概念最初由Michael Grieves教授于2003在美國密歇根大學的產品全生命周期管理課程上提出，并被定義為三維模型，包括實體產品、虛擬產品以及二者間的連接。由于當時技術和認知上的局限，數字孿生的概念并沒有得到重視。

直到2011年，美國空軍研究實驗室和NASA合作提出了構建未來飛行器的數字孿生體，并定義數字孿生為一種面向飛行器或系統的高度集成的多物理場、多尺度、多概率的仿真模型，能夠利用物理模型、傳感器數據和歷史數據等反映與該模型對應·實體的功能、實時狀態及演變趨勢等，數字孿生才真正引起關注。

2017~2019連續三年，數字孿生都被Gartner列為十大戰略技術發展趨勢之一。

由于直觀和易于操作的特性，基于數字孿生理念的系統在管理復雜對象方面具有傳統系統無法比擬的優勢，逐漸被人們重視并大規模應用。

北京優锘科技有限公司是國內最早開始應用數字孿生的理念進行軟件研發并投入實際應用的公司之一，從2012年開始，優锘科技率先在IT管理領域發布了數據中心可視化產品DCV（DataCenter Visualizer），將數據中心作為一個整體對象進行了數字化孿生轉換，讓用戶能夠方便的通過計算機程序完成從宏觀上的數據中心園區到微觀上設備乃至板卡的管理。

在接下來的幾年中，優锘科技在專業上不斷精進，逐步將數字孿生技術的應用范圍從數據中心擴展到了各行各業，包括智能樓宇，數字監所，應急預案，智慧城市以及校園、港口、倉庫、醫院等等，在積累了豐富的項目建設經驗同時，也探索出一套成熟的數字孿生系統建構方法論。

優锘科技的數字孿生系統建構方法論中，自下而上分成七個層面，每一層都是上一層的基礎支撐。接下來就詳細解釋一下各個層面的含義和相應的產品工具或實際應用。

第一層**-、管道融合?**

管道融合是數字孿生系統建構的最底層基礎，其目標就是打通物理實體和孿生系統之間的隔閡并建立一座橋梁，保證物理實體的所有信息都能夠完整、準確和有效地反映到孿生系統上。

物理實體或者系統包含的組件數量眾多，五花八門。比如一幢智能樓宇中，可能有幾臺通過古老的串口傳輸數據的不間斷電源，也可能有成百上千個通過最新的LoRa無線協議傳輸數據的門禁設備。所以，管道融合本質上就是要解決物理實體組件多樣化、海量化和標準化的問題。

對于多樣化和標準化問題，優锘科技提供了兼容多種采集協議和硬件接口的ThingJet分布式采集模塊，將分布于物理實體中不同位置的數據。對于海量化問題，則采用了DIX集群式數據匯聚模塊來響應和處理大規模、高并發的數據。

第二層、**?環境融合?**

任何一個物理實體都不是孤立存在的，豐富的環境信息有助于用戶快速和體系化地了解物理實體的概況。數字孿生系統也是如此。環境融合的能力，就是把物理實體周邊的環境信息進行數字化，再和物理實體融合在一起。就如同對某個攝像頭而言，它所在的建筑及建筑周圍的道路、綠化信息，都是必不可少的環境信息。

優锘科技的相應產品能夠支撐兩種不同的環境場景。

對于大規模數據的環境場景，比如智慧城市，我們采用的是CityBuilder解決方案。簡而言之，能夠解析電子地圖的數據，自動生成3D城市。同時，還提供不同的主題風格，能根據不同的應用場景進行轉換。

對于規模較小的環境場景，比如一個學?；蛘呱鐓^，我們采用CampusBuiler解決方案。這個產品提供一個所見即所得的3D場景搭建工具，使用戶利用它快速繪制真實場景。

額外介紹一個有趣的全景圖功能（ThingPano）。就是將360度的全景圖與環境數據進行整合。用戶在孿生系統中漫游的時候，隨時可以看到對應的真實環境的全景圖，是不是很酷。

**第三層、****布局融合?**

在涉及到建筑物的應用中，樓層的布局信息非常重要，它不僅僅是還原了物理場所的建筑構造，更重要的是為一些上層應用打下基礎，比如人員定位，運動軌跡追蹤，自動巡檢等等。

在布局融合方面，用戶除了復用CampusBuiler工具人工進行樓層布局的搭建外，還能通過布局自動生成工具ThingLayout，將樓層的CAD文件自動轉換成了系統可以識別的3D布局數據格式。

**第四層、****模型融合?**

物理實體的數字孿生體，歸根結底就是一個個的模型或者模型集合，所以建設數字孿生系統的關鍵也在于模型。優锘科技通過近十年時間，上百個項目，積累了上千種不同的物體模型數據，使得我們在后續的項目中能夠復用它們并最終快速交付。

優锘科技的ThingDepot就是用來管理這些模型的產品模塊。

**第五層、****數據融合?**

很多用戶經常有這樣的疑問：你們優锘的產品和BIM軟件有什么區別？坦率地說，BIM軟件現在也在發展，很可能到未來的某一天，兩者之間已經因為功能相互交叉而無從分辨了。但從當下大家的普遍認知上來說，BIM軟件還是面向于設計用途的，它注重孿生體的外觀形狀尺寸與物理實體一致性；而真正的數字孿生應用，不僅僅要考慮孿生體外觀的一致性（至少是肉眼可見的一致性），還要通過數據反映出孿生體的靜態和動態（簡稱雙態）狀況。甚至在很多管理者看來，孿生體雙態數據的重要性已經超過了孿生體外觀的重要性。

了解到雙態數據的重要性，大家自然也就明白了數據融合能力的重要性。同時，在計算機圖形技術高度發展的今天，我們還可以通過增加額外的界面特效來讓交互手段及表現力更加得豐富。

如下圖，我們在某數字醫院項目中，利用黃色亮線的密度和速度分別表示車流量和車輛速度，利用不同顏色表示樓層的溫度高低。

**第六層、****管理融合?**

一個數字孿生系統，如果簡單的把環境、布局、模型和數據這些信息拼湊到一起，那么帶給用戶的只能是噪音。想讓它真正發揮價值，還需要根據不同的管理維度和場景，有條件的選取展示內容和展示方式。

在智能樓宇類型的應用中，針對配電管理和電梯管理，系統呈現的內容就迥然不同。在對配電系統進行管理時，不僅僅要關注具體的配電設備，還要呈現設備之間的關聯關系。而對電梯進行管理時，系統就要動態呈現每部電梯的運行狀況。

**第七層、****業務融合?**

在一些復雜的數字孿生應用中，把物理實體和相關數據進行呈現，甚至上面提及的管理融合，都已經無法滿足業務的要求。用戶希望進行更深度的人機交互，將數字孿生的真實性和計算機程序的虛構性結合起來，模擬現實中成本過高或者無法實現的活動，我們稱之為業務融合。

業務融合最典型的應用是在消防領域廣泛使用的應急預案，也就是依托數字孿生系統構建消防重點單位3D場景，包括室內外的市政消火栓、水泵接合器、周邊道路、天然水源等信息，然后針對突發或設定火災進行動態推演，并以動畫形式播放推演結果，從而形成直觀立體的三維電子預案。

這其中，用戶可根據標準步驟，繪制逃生路線、救援路線、標注救援提示信息（含語音），實現三維預案的自主制作；還可以用動畫方式自動播放推演步驟，方便用戶查看推演過程。播放過程中可隨時暫停，進行周邊消防信息查詢、查看，還可進行回播和快進播放。

介紹完這七個層面的融合，想必您對數字孿生系統的建設有了基本的了解。從某種程度上說，它如同蘋果公司的圖形化操作系統一樣，進行大量的幕后工作，屏蔽眾多的技術細節，呈現易用的操作界面。

我們有理由相信，數字孿生技術在未來相當長的一段時間內必將越發成熟和壯大，也相信北京優锘科技有限公司能夠為市場和客戶開發出更多更好的數字孿生應用。