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(jìn)，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(huì)治理、經(jīng)濟(jì)治理、國(guó)防與軍隊(duì)建設(shè)等各領(lǐng)域的時(shí)代要求?！笆奈濉币?guī)劃指出：“迎接數(shù)字時(shí)代，激活數(shù)據(jù)要素潛能，推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)建設(shè)，加快建設(shè)數(shù)字經(jīng)濟(jì)、數(shù)字社會(huì)、數(shù)字政府，以數(shù)字化轉(zhuǎn)型整體驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)方式、生活方式和治理方式變革?！泵鎸?duì)數(shù)字治理這一時(shí)代命題，需要從復(fù)雜系統(tǒng)理論認(rèn)知入手，分析數(shù)字治理復(fù)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(xué)前沿相結(jié)合，將作為一種新的技術(shù)引擎推動(dòng)社會(huì)治理等關(guān)鍵領(lǐng)域數(shù)字治理模式的深刻變革。

1、基于復(fù)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(dǎo)，平臺(tái)與企業(yè)、社會(huì)組織、社群、公民個(gè)人等多元主體協(xié)同參與相關(guān)事務(wù)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(jìn)、個(gè)人福祉提升為目標(biāo)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(jì)、數(shù)字社會(huì)、數(shù)字政府、數(shù)字城市等多個(gè)領(lǐng)域，呈現(xiàn)出高維度、強(qiáng)關(guān)聯(lián)、多層次、開放性、全局性等特點(diǎn)。

數(shù)字治理的復(fù)雜性特征

復(fù)雜系統(tǒng)理論為解析數(shù)字治理問題提供了支點(diǎn)。從系統(tǒng)科學(xué)的角度看來，數(shù)字治理的主體與對(duì)象構(gòu)成的系統(tǒng)均具備復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)的特征。一方面，這些系統(tǒng)由大量具備適應(yīng)性的主體構(gòu)成，主體能夠與環(huán)境以及其他主體進(jìn)行交互，“學(xué)習(xí)”和“積累經(jīng)驗(yàn)”，并根據(jù)學(xué)到的“經(jīng)驗(yàn)”改變自身結(jié)構(gòu)和行為方式以更好地適應(yīng)環(huán)境。例如，社會(huì)系統(tǒng)中的主體——人通過千姿百態(tài)的合作、競(jìng)爭(zhēng)、矛盾、沖突關(guān)系，演繹出復(fù)雜的交互行為，造就了社會(huì)系統(tǒng)的復(fù)雜性。另一方面，系統(tǒng)的演進(jìn)呈現(xiàn)不確定性。不確定性導(dǎo)致“因果不再一一對(duì)應(yīng)，也不會(huì)是完全唯一”。經(jīng)濟(jì)運(yùn)行過程受多因素影響且難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)就是復(fù)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(yīng)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(diǎn)，即低層次的主體通過相互作用組成更高層次、更復(fù)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(gè)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(fù)雜度非常高；但從大尺度（宏觀）看，我們又可以找到一些簡(jiǎn)單優(yōu)美的規(guī)律來描述城市，比如城市的規(guī)模與其對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施需求之間的冪律關(guān)系等。

解決復(fù)雜性問題的方法論要求

解決復(fù)雜性問題需要革新性的方法論。解決復(fù)雜的數(shù)字治理問題的方法論應(yīng)當(dāng)滿足以下四個(gè)方面的需求：

（1）本質(zhì)認(rèn)知

建立復(fù)雜系統(tǒng)的科學(xué)邏輯，從全局的、聯(lián)系的、動(dòng)態(tài)的視角，關(guān)注治理對(duì)象局部與整體、短期與長(zhǎng)期、無序與有序、競(jìng)爭(zhēng)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(fù)雜系統(tǒng)最終會(huì)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(jìn)、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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要素的有機(jī)關(guān)聯(lián)與流動(dòng)。

（3）虛實(shí)共生

數(shù)字治理方法應(yīng)當(dāng)構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的平行系統(tǒng)建模框架，用動(dòng)態(tài)的真實(shí)數(shù)據(jù)支撐對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律的解析。

（4）動(dòng)態(tài)演進(jìn)

關(guān)注治理對(duì)象系統(tǒng)全生命周期演進(jìn)的過程，提升回顧過去、把握現(xiàn)在、預(yù)測(cè)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(fù)雜航天系統(tǒng)工程探索。從1969年NASA的“阿波羅計(jì)劃”實(shí)體孿生體構(gòu)造，到2003年提出裝備數(shù)字孿生體來描述實(shí)體全生命周期的運(yùn)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(shí)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(xué)術(shù)界、標(biāo)準(zhǔn)化組織、企業(yè)的廣泛關(guān)注，但目前尚無公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)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(duì)象域看，人、裝備、組織、環(huán)境、產(chǎn)業(yè)或者抽象對(duì)象均可作為數(shù)字孿生的對(duì)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(jī)理、活動(dòng)、行為及其聯(lián)系等；從作用域看，物理實(shí)體通過建模和物聯(lián)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)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(shí)世界運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、模型、系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成與現(xiàn)實(shí)世界對(duì)應(yīng)的數(shù)字資產(chǎn)，數(shù)字孿生體在物理實(shí)體真實(shí)數(shù)據(jù)的“喂養(yǎng)”下，成長(zhǎng)為自循環(huán)、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自演進(jìn)的“數(shù)字生命體”。

綜上，數(shù)字孿生具有虛實(shí)共生、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、數(shù)字資產(chǎn)、開放架構(gòu)、生命特征五大特點(diǎn)。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(jìn)而涌現(xiàn)出單項(xiàng)技術(shù)所不具備的能力，驅(qū)動(dòng)孿生對(duì)象不斷進(jìn)化，構(gòu)造出與現(xiàn)實(shí)世界虛實(shí)映射的數(shù)字空間，在數(shù)字空間回溯歷史、把握現(xiàn)在、預(yù)測(cè)未來，提高對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)全生命周期動(dòng)態(tài)演化機(jī)理與規(guī)律的洞察力與控制力。

數(shù)字孿生在不同領(lǐng)域的形態(tài)

數(shù)字孿生這一方法論與不同領(lǐng)域結(jié)合后呈現(xiàn)出不同形態(tài)。根據(jù)孿生對(duì)象的物理特征，可分為部件級(jí)、系統(tǒng)級(jí)、體系級(jí)；根據(jù)孿生對(duì)象的時(shí)空特性，分為歷史態(tài)、實(shí)時(shí)態(tài)、未來態(tài)；根據(jù)孿生對(duì)象的運(yùn)行機(jī)理，可分為設(shè)計(jì)態(tài)、制造態(tài)、運(yùn)行態(tài)。不同行業(yè)領(lǐng)域依據(jù)其關(guān)注的重點(diǎn)，構(gòu)建不同層級(jí)、不同時(shí)態(tài)、不同狀態(tài)的數(shù)字孿生體，滿足不同行業(yè)對(duì)象全生命周期管理的彈性需求。

數(shù)字孿生發(fā)展演進(jìn)

數(shù)字孿生是尚處于發(fā)展進(jìn)程中的方法體系，數(shù)字孿生應(yīng)用也存在不同的成熟度等級(jí)。當(dāng)前應(yīng)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(yùn)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(shí)現(xiàn)“以虛仿實(shí)”；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(yùn)動(dòng)和控制邏輯的模型，接收物理世界的真實(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)“以虛控實(shí)”；通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)數(shù)字模型與物理實(shí)體共生長(zhǎng)、共進(jìn)化，形成可應(yīng)對(duì)不確定性的，具備自學(xué)習(xí)、自演進(jìn)能力的數(shù)字生命體，“以虛預(yù)實(shí)”、“以虛優(yōu)實(shí)”，最終達(dá)到自主動(dòng)態(tài)孿生的理想狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)“虛實(shí)共生”。

圖2  數(shù)字孿生演進(jìn)路線

3、數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)數(shù)字治理

如前文所述，針對(duì)數(shù)字治理復(fù)雜系統(tǒng)的基本特征，我們可以充分利用數(shù)字孿生“由實(shí)生虛、以虛控實(shí)、虛實(shí)互動(dòng)、共生演進(jìn)”的特點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，沿著“理解、認(rèn)知、計(jì)算、模擬、賦能”的鏈條，用數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)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(dòng)數(shù)字治理

（1）理解

以復(fù)雜適應(yīng)系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)，挖掘經(jīng)濟(jì)、政治、文化、社會(huì)、生態(tài)文明建設(shè)等各個(gè)領(lǐng)域數(shù)字治理對(duì)象的內(nèi)在復(fù)雜規(guī)律，使自上而下的數(shù)字治理模型與治理對(duì)象的發(fā)展邏輯與規(guī)律相匹配。

（2）認(rèn)知

從復(fù)雜系統(tǒng)運(yùn)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)映射的數(shù)字空間，形成實(shí)體控制環(huán)與虛擬試驗(yàn)環(huán)雙環(huán)耦合驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)運(yùn)行模式。

（3）計(jì)算

在虛實(shí)映射、雙環(huán)驅(qū)動(dòng)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(yīng)用的知識(shí)，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(shè)、預(yù)測(cè)的優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、城市等治理對(duì)象的數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)回顧過去、把握現(xiàn)在、預(yù)測(cè)未來的治理目標(biāo)。

（5）賦能

通過上述工作，構(gòu)建可感知、可理解、可計(jì)算、可決策、可進(jìn)化的數(shù)字治理系統(tǒng)，突破當(dāng)前治理?xiàng)l塊分割的現(xiàn)狀，眾籌群智，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、城市治理，解決應(yīng)急、交通、防疫、城市生命線等行業(yè)痛點(diǎn)問題，提升治理能力體系現(xiàn)代化水平。

4、數(shù)字治理實(shí)踐

截至目前，數(shù)字孿生已在國(guó)內(nèi)外頂層戰(zhàn)略規(guī)劃中多次出現(xiàn)，如美國(guó)《數(shù)字工程戰(zhàn)略》，英國(guó)《國(guó)家數(shù)字孿生體原則》、俄羅斯《俄羅斯聯(lián)邦數(shù)字經(jīng)濟(jì)規(guī)劃》、德國(guó)工業(yè)4.0平臺(tái)、我國(guó)《“十四五”規(guī)劃》、《數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃》等。同時(shí)，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(huì)治理等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，涌現(xiàn)了“機(jī)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(xiàng)目，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用正煥發(fā)勃勃生機(jī)。

面向數(shù)字治理多個(gè)領(lǐng)域需求，航天數(shù)字孿生團(tuán)隊(duì)從復(fù)雜系統(tǒng)全生命周期動(dòng)態(tài)運(yùn)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(yùn)用數(shù)字孿生理念設(shè)計(jì)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(shí)空間壁壘，形成可支撐多領(lǐng)域智慧應(yīng)用的智能底座?；贒TOS，我們?cè)趪?guó)家“雙智”（智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施與智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同發(fā)展）、市域社會(huì)治理、數(shù)字政府等領(lǐng)域落地應(yīng)用。構(gòu)建了城市建筑、車輛、道路、基礎(chǔ)設(shè)施、社會(huì)人群、裝備等治理對(duì)象的孿生體，不斷挖掘、沉淀對(duì)各個(gè)領(lǐng)域系統(tǒng)的認(rèn)知，并在此基礎(chǔ)上，探索復(fù)雜性場(chǎng)景下的系統(tǒng)建模、演化與控制機(jī)制，基于“可感、可知、可視、可控”理念，搭建了自適應(yīng)、自響應(yīng)、正態(tài)反饋的智能化管理系統(tǒng)，支持實(shí)時(shí)感知-虛實(shí)互生-智能分析-一體化指揮運(yùn)營(yíng)-一體化交互展示，有效促進(jìn)了城市交通、地下生命線系統(tǒng)、市域社會(huì)治理、低空安全等治理對(duì)象的全生命周期管理與服務(wù)。

圖5  70周年國(guó)慶數(shù)字閱兵

圖6  “雙智”城市應(yīng)用

圖7  公共安全應(yīng)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(fù)雜問題的破題需求，又是技術(shù)發(fā)展的大勢(shì)所趨。期待與數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用工作委員會(huì)以及業(yè)界同仁共同探討，共同推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)在數(shù)字治理領(lǐng)域縱深發(fā)展。

轉(zhuǎn)載來源：數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用工作委員會(huì)