科创中国

问题描述

围绕如何解决信息、物理、社会深入融合这一科学问题，提出虚拟孪生的定义和内涵，系统分析当前数字孪生、虚拟现实、平行仿真等相关理论与技术研究进展，构建虚拟孪生理论、技术与应用理论体系，研究提出实现虚拟孪生系统的内容、流程和关键技术，探索其应用前景和有待突破的关键问题，为未来开展虚拟孪生的进一步落地应用提供理论和方法参考。

问题背景

随着物联网、大数据、人工智能等技术的发展与成熟，世界范围内出现了建设新一轮数字智能化社会的趋势，但是由于社会系统复杂程度的不断增加以及各级设备互联程度的逐步加深,数字智能化社会的建设也面临着诸多挑战，如数字系统与物理系统间相互割裂、海量数据的融合与挖掘、数字空间中智能生命体的行为与情感表达、群体智能的建模与仿真、人机之间自然交互等，这些问题对以信息为基础的虚拟世界和以物理实体为基础的真实世界的交互与共融提出了新的要求。上世纪80、90年代以来，相继出现了数字孪生、虚拟现实、平行仿真等概念和热点，为复杂系统的建模、仿真、管理和控制提供了思路和手段，如数字孪生通过充分利用布置在系统各部分的传感器实现物理系统向信息空间数字化模型映射,侧重于对物理实体进行数据分析与建模；平行系统将物理系统视为与环境交互的一个部分,重点考虑如何实现基于智能体的人工仿真系统，在实现社会系统仿真方面具有一定优势；虚拟现实 (Virtual reality,VR)及相关的增强现实(Augmented reality,AR)、混合现实 (Mixed reality,MR)等概念,侧重于以沉浸式体验为特征的人机交互,是一类实现数字孪生交互与协同的有效手段,被视作虚拟世界与真实世界的入口。以上技术各有其优势和特点，但对解决信息、物理、社会深入融合这一科学问题都存在一定的局限性，亟需开发新一代的ICT与智能技术来支撑未来的建设与发展。

最新进展

虚拟孪生是在数字孪生的基础上，利用传感器、物联网、虚拟现实、人工智能等数字技术对真实世界中物理实体和智能实体对象的特征、行为、形成过程和性能等进行描述和建模的过程和方法，也称为虚拟孪生技术。它以数字孪生为基础，但更侧重于智能实体或生命体的建模和仿真。虚拟孪生体是指与现实世界中的物理实体和智能实体完全对应和内外在表现一致的虚拟模型，可实时模拟自身在现实环境中的行为和性能，也称为虚拟孪生模型。虚拟孪生本质上是具有空间精确映射、虚实全息互联、人机友好交互等特点的高仿真数字系统，主要目的是实现真实世界与虚拟世界的交互与共融。虚拟孪生技术不仅可利用人类已有理论和知识建立虚拟模型，而且可利用虚拟模型的仿真技术探讨和预测未知世界，来发现和寻找更好的方法和途径、不断激发人类的创新思维、不断追求优化进步。虚拟孪生技术从制造业发端，为当前制造业的创新和发展提供了新的理念和工具，并不断延伸到国民经济和社会各行各业，得到了广泛和高度关注。全球最具权威的IT研究与顾问咨询公司Gartner连续两年(2016年和2017年)将虚拟孪生列为当年十大战略科技发展趋势之一。世界最大的武器生产商洛克希德马丁公司2017年11月将虚拟孪生列为未来国防和航天工业6大顶尖技术之首;2017年12月8日中国科协智能制造学术联合体在世界智能制造大会上将虚拟孪生列为世界智能制造十大科技进展之一。 但是，当前虚拟孪生的研究还处于起步阶段，缺乏系统的虚拟孪生理论/技术支撑和应用准则，在虚拟孪生模型构建、信息物理数据融合、交互与协同等方面的理论与技术研究还不深入、不全面，导致虚拟孪生落地应用过程中缺乏相应的理论和技术支撑。 目前的进展包括： 1、几何类虚拟孪生智能数据获取 几何属性的获取及生成主要通过光学和立体视觉的方法。基于光学的几何获取设备在几何测量方面精度已经优于10-2mm数量级，其中激光扫描和结构光获取较为成熟。立体视差法根据三角测量原理，利用对应点的视差可以计算视野范围内的立体信息。这种方法对于特定物体材质等表面属性的获取也达到非常逼真的程度。基于视觉的几何获取在一些无明显纹理，或者重复性纹理场景下，由于很难找到“像对”，具有较大的技术难度。其研究重点在于动态及无纹理（或者重复性纹理）的获取。一些商品化产品（如Point Grey公司的立体视觉系统）可以得到场景的大致三维表示。 在表面属性的获取方面，很多学术机构和工业界的团队都在研发相关捕获设备，主要通过不同光照和视点条件的图像获取物体的表面属性。例如美国麻省理工媒体实验室和哥伦比亚大学的4D camera。目前对于静态及不透明物体的材质等属性获取较为成熟，主要的难点在于动态物体或半透明物的表面属性获取，另外也尚无商品化产品 2、物理类虚拟孪生建模理论与技术 目前，虚拟对象的物理表现及其物理模型研究主要集中在运动学和动力学方面。物理模型也只有粒子系统、弹簧模型、SPH(smoothed particlehy drodynamics)方法等少数几个。物质的许多物理特征(如材料特征)，爆炸、切割等物理现象，柔、黏、塑、流、气、场等物质对象的物理特征与交互响应的实时逼真表现，存在许多理论问题。由于物理模型计算量巨大，因此具体应用时实时性和逼真性之间的平衡也是需要考虑的问题。提出表现某类物理特征和物理现象的新型物理模型，构造其物理引擎及核心算法芯片PPU(physics processing unit)，可以带来原创性、平台工具性成果。 3、智能行为模型统一建模框架 随着虚拟技术应用领域的不断扩展，研究将基于化学、生物学和生命科学的人体器官的生理、化学、生物进化演化模型，基于脑科学、人工智能以及情感计算虚拟人（或智能体）模型，以及大规模群体智能行为模型统一描述和建模框架，使虚拟孪生在与现实孪生在几何、物理、生理，以及进化演化等方面高相似性的基础上具备自我进化演化的能力。人体、城市和复杂装备的虚拟孪生会成为未来发展的重点，并对医疗健康、城市规划管理和装备设计维护领域产生颠覆性影响。 4、超大尺度高精细数据化虚拟孪生建模技术 面向城市级以上的经济体的虚拟孪生系统生成与运行，研究智能化、自然的虚拟现实建模技术，提供数据孪生组织软件产品，把物理资产、技术、架构、基础设施、客户互动、业务能力、战略、角色、产品、服务、物流与渠道都连接起来，基于历史与现实大数据，实现数据互联互通和动态可视。另外，还需研究自然交互技术，将虚拟现实技术与自然交互、语音识别等技术结合起来，对模型的属性、方法和一般特点的描述通过自然交互、语音识别等技术转化成建模所需的数据，然后利用计算机的图形处理技术和人工智能技术进行设计、导航以及评价，将模型用对象表示出来，并且将各种基本模型静态或动态地连接起来，最终形成系统模型。人工智能在虚拟世界也大有用武之地，良好的人工智能系统对减少乏味的人工劳动具有非常积极的作用。 5、虚拟孪生逼真性测度 即虚拟孪生与现实本体的相似性测度是有待研究解决的一个理论问题。在此基础上研究各类VR应用的效果评价，特别是对人的心理影响，以及对人类社会带来的影响，并进行相关约束与法律研究也是必要的，这会形成新的人文学科研究方向。 6、虚拟孪生的应用领域 探索虚拟孪生在工业、农业、建筑、城市管理等领域应用，提出相关应用场景和研究方向。

重大意义

虚拟孪生通过在信息空间构建真实世界的数字镜像并实现二者的共融和交互，可有效解决信息、物理、社会深入融合这一科学问题，并为实现复杂社会仿真、管理与控制提供了一条新的可行路径，是仿真科学与技术综合应用的最高形式，将成为未来智能制造、智能城市、智能管理等领域的重要发展方向。 1、制造领域应用 随着新一代信息技术(如云计算、物联网、大数据等)与制造业的融合与落地应用，世界各国纷纷出台了各自的先进制造发展战略，如美国工业互联网和德国工业4. 0，其目的之一是借力新一代信息技术，实现制造的物理世界和信息世界的互联互通与智能化操作，进而实现智能制造。与此同时，在“制造强国”和“网络强国”大战略背景下，我国也先后出台了“中国制造2025”和“互联网+”等制造业国家发展实施战略。此外，党的十九大报告也明确提出“加快建设制造强国，加快发展先进制造业，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合”，其核心是促进新一代信息技术和人工智能技术与制造业深度融合，推动实体经济转型升级，大力发展智能制造。因此，如何实现制造物理世界与信息世界的交互与共融，是当前国内外实践智能制造理念和目标所共同面临的核心瓶颈之一。 2、城市规划与管理 提供数据孪生组织软件产品，能够把企业内部每一个物理资产、技术、架构、基础设施、客户互动、业务能力、战略、角色、产品、服务、物流与渠道都连接起来，实现数据互联互通和动态可视，研究城市演化规律，提出切实可行的城市改造升级方案，有效解决“数据多效果少”、“单点强而全局弱”、“科技新落地少”等问题，缓解“城市病”。 3、其他方面应用 虚拟孪生可广泛用于经济、社会、军事等领域。如经济与社会发展预测、军事演习与新概念战争研究等。