数字孪生的概念提出之后，人们就在探索其在各种领域的应用，直到今天，数字孪生技术发展得如火如荼，从航空航天到汽车制造，从机械建筑到智慧医疗。本期科学史话，我们将向大家介绍数字孪生技术在脑科学以及智慧城市两个领域的应用情况。

与一般的数字孪生技术一样，数字孪生脑的核心在于在虚拟空间中建立起大脑的结构功能模型。这个模型就像人类大脑的“备份”，一旦成功构建，科学家们就不仅可以用它来整合各类生物脑研究结果，还可以揭示脑机理、启发类脑智能、加快对脑相关疾病的攻克。其研究价值与应用价值都不言而喻。

其实自21世纪以来，人类大脑就一直是科学研究重点关注的领域之一。世界上许多国家也纷纷提出了脑研究计划，比如美国在2013年4月宣布“脑计划”。欧盟也于2013年10月启动了“蓝脑计划”（Blue Brain Project），不过该项目目前已经宣告失败。

数字孪生脑模型的建立与优化流程

数字孪生脑平台

近几年来数字孪生技术的另一大研究方向便是数字孪生城市。2019年，数字孪生应用正式进入了城市研究领域，前几年红极一时的“元宇宙”，实际上就是在虚拟城市中明确相对应的资产管理范围，是数字孪生技术的更高级别应用。然而城市不是一个容易理解和预测的机械系统，要想建立一个城市的数字孪生模型，不仅要考虑最基本的几何要素，还得将政治经济活动、社会文化环境以及生态变化发展等多种要素都考虑在内，其内部要素之间互相依赖，各领域之间互相关联，复杂性可见一斑。

数字孪生城市

如果我们从技术架构的角度来看数字孪生城市，我们就会意识到要建立数字孪生城市，需要考虑到方方面面。首先，数字孪生城市主要是通过空间感知和数据采集与传输，使用模型数字化过程，实现对物理世界的孪生再现。这仅靠计算机辅助设计或是以传感器为基础的静态检测无法实现，在此基础上提出的建筑信息模型(BIM)和地理信息系统(GIS)是数字孪生城市的基本技术，之后又发展出城市信息模型（CIM）的概念，物联网成为其主要技术支持。其次，对于庞杂的数据，我们需要进行筛选、甄别、计算处理，这就要依靠云计算、大数据、人工智能等先进技术的加持。例如，自动驾驶、视频监控等需要城市云网资源能够对海量数据汇聚和实时处理，万物互联的实现需要宽带泛在感知网、全光网络等设施提供通道，数字孪生城市的核心特征“全生命周期”需要高性能计算、分布式计算等相结合来保障。除此之外，城市的本质是要解决人们日益增长的需求，构建数字孪生城市也一样，不能仅停留在物理空间的虚拟化，更重要的是关注它与人的关系，只有当数字孪生城市的服务可以直接面向人，它的价值才得以体现，从这个角度，虚拟现实技术（VR）带来的沉浸式体验与增强现实技术（AR）带来的虚拟信息与现实环境无缝融合将又是实现数字孪生城市的重要推手。

城市数字孪生技术参考架构

近几年，关于数字孪生城市的理论研究与应用实践都在不停地推进，目前已有一些项目落地并取得了很好的效果，例如住房和城乡建设部指导广州、南京等城市开展 CIM 基础平台试点工作，通过融合遥感信息、城市多维地理信息、建筑及地上地下设施的建筑信息模型、城市感知信息等多源信息，探索建立表达和管理城市三维空间全要素的 CIM 基础平台。

该项目充分利用大数据、GIS、BIM、物联网、云计算等技术创新和实践经验，构建宏观微观、地上地下、室内室外一体化的 CIM 数据底板，接入城市运行数据，现已实现智慧排水、智慧住建等“CIM+”应用，CIM基础平台为城市规划、工程建设、公共管理、公共服务和智慧城市运行提供支撑，具有重要的战略意义。

CIM+智慧排水系统

自从数字孪生这个概念被提出来后，关于它的研究与应用就从未停下过探索，除上述两方面外，数字孪生技术在航空航天、汽车制造、机械工业等领域都有重要应用，为企业带来效益，为生活带来便利。

参考文献