苏奎峰：超大规模数字孪生可视化与仿真系统

数字孪生是实现物理与虚拟实体之间实时连接、双向映射、仿真推演、动态交互与反馈控制的技术体系，能够将物理实体或系统的结构、属性、状态和行为映射到虚拟环境中，形成高保真的动态数字模型，为观察、理解、认识、控制和改造物理世界提供了一种有效的技术手段。超大规模数字孪生可视化与仿真技术是数字孪生技术体系的核心环节，在科学研究、生产制造中起着至关重要的作用，是地理信息、生物医药研究，大型工程设计，生产制造等领域的重要工具。云计算以及图形处理器（GPU）等技术的发展产生的巨大并行处理能力，结合时空同步、分布式并行仿真、可视化算法、数据结构以及体系结构等技术，使得计算密集型操作成为可能，在云计算平台分布式访问、调度和管理大规模仿真数据，并支撑数亿个三角面的大规模网格，使得仿真和可视化达到极高的分辨率。多尺度建模、分布式高性能计算成为解决此类问题必备的技术，同时随着数据驱动的机器学习方法的发展，以及物联网技术使得更多的物理要素数字化在线，融合机器学习、多尺度建模以及分布式计算技术，为解决超大规模数字孪生的建模、仿真模拟和可视化提供了无约束创新的潜力，也为系统自身可持续进化提供了无限可能。

超大规模数字孪生可视化与仿真系统是数字孪生的核心，是数字孪生技术业务价值化、规模化和商业化的关键。数字孪生涉及全真映射、仿真维护以及闭环控制三个方面。全真映射是采用数字孪生技术提供一个观察和认识世界的上帝视角，将现实世界中分布在不同空间的人、事、物同步到一起，在虚实环境中全真呈现，而且可以超越现实实现空间折叠、时间坍缩，支持跨越时空的在场协同，让人能够沉浸式地参与到生产过程中，更真实和更亲密地互动。数字孪生的仿真维护是基于全真互联的模拟复现或预测，是静态与动态、虚拟与现实、过去与现在融合的模拟，是基于大规模、精细化数据和优化与智能算法驱动的，一定程度上超越了传统意义的模拟仿真。在全真映射和仿真维护方面，超大规模数字孪生可视化与仿真是数字孪生最核心的基础能力，比如飞机设计和总装模拟应用，有400万到1800万个零部件，传统的技术和方法无法满足总体评估；另外一个典型案例就是建筑领域的建筑信息模型（building information modeling，BIM）可视化和结构分析，目前为了利用BIM数据做可视化或结构分析，必须做轻量化处理，极大地限制了整体研究或全量结构模拟的可能。在智慧城市、城市级交通以及海洋治理等领域也存在类似的现实问题，要想实现全真孪生的数实融合，超大规模数字孪生可视化与仿真系统是必备的核心技术。

该前沿核心专利公开情况见表2.1.1，核心专利2016—2021逐年公开情况见表2.1.2。

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