① Gen Med | 數字孿生多網路模型可以幫助個性化治療、生物標志物和葯物發現
一項國際研究團隊最近在《Genome Medicine》期刊上發表了一項突破性成果，他們開發出一種名為「數字雙胞胎」的高級計算機模型，該模型能夠識別動態基因組和細胞群中疾病相關細胞隨時間的變化，以支持個性化治療和生物標志物、葯物發現的進展。由Mikael Benson博士領導的科研團隊，尤其關注於在花粉熱中識別關鍵的疾病蛋白，他們的模型提出了一種動態的單細胞框架，旨在組織和優先考慮疾病基因和葯物目標。
復雜疾病，如過敏和自身免疫病，治療效果存在顯著差異，因為涉及成千上萬基因的表達變化，且疾病進程會隨著時間演變。研究強調，通過數字雙胞胎模型，可以模擬疾病進程中的分子變化，從而盡早診斷並定製個性化治療。早期的醫學數字雙胞胎，如模擬肺功能的肺部模型和優化糖尿病治療的胰島素模型，僅是初步嘗試。目前的研究目標是構建能在細胞組和全基因組范圍內動態表徵分子變化的模型，以更好地匹配個體患者疾病狀態。
研究人員以季節性過敏性鼻炎（SAR）為例，通過單細胞RNA測序分析在花粉刺激前後不同時間點的基因活性，構建了多細胞網路模型（MNM），用於追蹤和識別上游調節因子（UR）基因。他們的研究揭示了在不同細胞類型和疾病階段，多種蛋白質和信號傳導途徑的重要性，並通過抑制名為PDGF-BB的蛋白質，證明了在正確時間使用正確葯物的治療效果。這種方法也預示著在其他免疫性疾病治療中可能的應用。
總的來說，數字雙胞胎模型的開發不僅有助於提高疾病診斷的准確性，還為生物標志物和葯物的發現提供了一種創新且擴展的策略。這一研究為未來在疾病動態變化中進行精準醫療奠定了堅實基礎。
② 數字孿生技術的過去、現在和未來
上世紀四五十年代，以計算機、半導體、原子能技術為代表的第三次工業革命爆發，拉開了人類信息時代的序幕。
在隨後的數十年裡，信息的價值得到了越來越多的重視，成為社會的主要財富。而信息技術，作為信息價值的挖掘工具，則得到了日新月異的發展。信息和信息技術，改變了我們每個人的工作和生活方式，推動了經濟的飛速發展，給整個社會帶來的顛覆性變革。
進入21世紀以後，信息技術的發展有了新的變化。
以雲計算、大數據、人工智慧為代表的算力技術演進，以及以全光網路、4G/5G、Wi-Fi 6為代表的聯接力技術飛躍，使得人們對數字技術提出了更高的期望。人們希望在信息化的基礎上，進一步實現數字化、網路化、智能化，將澎湃的數字動能從個人消費領域轉向包括工業製造、交通物流、教育醫療等在內的各個垂直行業，實現全行業及整個社會的數字化轉型。
換句話說，數字技術除了幫助消費者更好地社交、娛樂之外，還要幫助企業升級製造工藝、改進經營流程，進一步提升生產力。此外，還要幫助政府提升治理能力、優化管理效率，改善居民的城市生活質量。
數字孿生技術，就是基於這樣的時代背景誕生的。
2011年3月，美國空軍實驗室首次提出了數字孿生（Digital Twin）。當時，他們將這一概念用於戰斗機維護工作的數字化。
不久後，另外兩家公司關注到了數字孿生，並決定將它在民用領域發揚光大。這兩家公司，分別是美國的通用電氣（GE），以及德國的西門子（Siemens）。
通用電氣和西門子是世界級的工業巨頭，長期關注工業的自動化和數字化改造，也一直在研究工業4.0。
對他們來說，數字孿生信息技術發展到新一階段的產物，是典型的工業數字化技術，代表了工業製造手段與數字科技深入融合發展的未來方向。為此，他們投入了大量的資源，全力進行數字孿生技術的研發，並將其推向全球各個領域。
說了半天，到底什麼是數字孿生呢？
數字孿生的官方概念非常拗口，是這么說的：
數字孿生，是綜合運用感知、計算、建模等信息技術，通過軟體定義，對物理空間進行描述、 診斷、預測、決策，進而實現物理空間與賽博空間（Cyberspace，可以理解為數字虛擬空間）的交互映射。
刪掉描述，提煉骨幹，會變得簡單一些：「數字孿生，是物理空間和數字虛擬空間的交互映射。」
更簡單來說，數字孿生就是在一個設備或系統的基礎上，創造一個數字版的「克隆體」。這個「克隆體」，也被稱為「數字孿生體」。
對於很多人來說，數字孿生很容易與「數字建模」混淆。畢竟，數字建模也是建立了一個模擬克隆。
但實際上，數字孿生和「數字建模」是有很大區別。數字孿生的特性，概括起來就是4個詞——「動態」、「全生命周期」、「實時/准實時」、「雙向」。
所謂「動態」，是指本體的實時狀態、還有外界環境狀態，會通過感測器等手段，復現到數字孿生體上。也就是說，孿生體不是靜止的，而是變化的。
「全生命周期」，則是指數字孿生貫穿於產品的整個生命周期，包括設計、開發、製造、服務、維護乃至報廢回收等。它並不僅限於幫助企業把產品本體造出來，還在於幫助企業使用和維護本體。
「實時/准實時」，很好理解，就是前面所說的「動態」數字反應，是實時/准實時實現的，沒有大的時延，沒有明顯滯後性。
「雙向」這個特性非常關鍵。傳統建模往往是單向的——建立模型，然後依據模型製造本體。數字孿生完全不同，孿生體除了接收本體數據之外，還可以反向給本體輸送數據。企業可以根據孿生體反饋的信息，對本體採取進一步的行動和干預。
站在技術的角度來看，數字孿生的技術體系是非常龐大的。它的感知、計算和建模過程，涵蓋了感知控制、數據集成、模型構建、模型互操作、業務集成、人機交互等諸多技術領域，門檻很高。
數字孿生的技術競爭，實際上是雲計算、大數據、3D建模、工業互聯網及人工智慧等ICT先進技術綜合實力的博弈。
從本質上來說，數字孿生是一項藉助數字空間孿生模型，對物理空間真實本體進行模擬的技術。之所以要模擬，無非是兩個原因：其一，物理本體的造價昂貴，試錯成本太高，超過了承受能力。其二，就是物理本體獨一無二，不支持物理復制，沒有試錯的機會。
前面提到的美國空軍實驗室和通用電氣公司，最早的數字孿生對象，就是造價昂貴的飛機及飛機發動機。截至2018年，通用電氣就已經積累開發了120萬個數字孿生體。根據他們自己的說法，他們已經為每個引擎、每個渦輪、每台核磁共振都創造了一個數字孿生體。
建立了數字孿生體之後，他們採集物理本體的運行數據，放在孿生體上。然後，他們可以大膽創新，充分試錯，進行產品設計改動，進行模擬模擬試驗，觀察效果，從而判斷是否執行實際產品的改動。這樣一來，試錯的成本和風險大幅下降，也縮短了產品的研發周期。
什麼樣的系統，是獨一無二、不支持物理復制的呢？
當然是那種大型的、真實的、公共的、正在使用的系統。大家應該都想到了，我們每天生活著的城市，就是這樣的一個系統。
城市是極為復雜的。在城市裡，有百萬甚至千萬級的人口，有不計其數的建築、車輛，還有交織密布的基礎設施網路（道路、水電煤氣、通信）。我們沒有辦法直接在城市裡做試驗，也沒辦法復制一個物理城市來做試驗。所以，我們需要藉助數字孿生技術，構建一個數字空間的虛擬城市，進行模擬、試驗和試錯，提升城市的管理和運營效率。
交通是一個城市最重要的功能之一。我們以騰訊數字孿生平台為例，詳細看一下數字孿生技術是如何賦能智慧交通行業應用的。
首先，我們看看城市交通數字孿生體的搭建。
騰訊利用城市級三維重建技術，基於自己的高精度地圖數據，可以真實還原出整個城市的樓宇、道路等主體要素。然後，是樹木綠化、公交站台、交通標記、交通標線等靜態元素。
靜態元素有了，車輛、行人等動態元素怎麼辦？難道像電腦游戲裡面一樣，隨時生成？
當然不是。交通孿生系統中的車輛和行人，並不是完全虛擬出來的或者隨機生成的。
數字孿生平台是通過路測攝像頭，實時採集真實道路監控中的影像，檢測和感知各個目標（車輛、行車等），然後將目標數據「提取」出來，模型化之後，同步融入到數字孿生環境中。
這樣一來，才算真正實現了真實路面交通和虛擬環境的深度融合。實時交通流大數據，在數字空間被真實還原了。
在整個城市的大規模車道級實時模擬下，交通流數據可以像我們使用地圖導航APP一樣，通過顏色（交通熱力圖），進行可視化呈現。城市交通的擁堵情況，一覽無余。
交通數字孿生體搭建完成之後，我們站在上帝視角，可以做的事情就很多了。
首先，我們可以進行特殊情況下的交通車流變化推演。模擬出現交通事故，或主辦大型賽事或演出，觀察車流的變化，考驗交通路網的承受能力，為城市交通主管部門制定應急預案提供決策依據。
其次，可以模擬交通信號燈的設計優化方案，為管理部門優化交通管理調度提供技術支持。
還有，基於虛擬環境，為救護車、消防車等緊急車輛提供路線動態規劃，挽救生命。
在數字孿生環境中，騰訊還引入了游戲引擎相關技術，自由模擬各種天氣狀態，評估天氣對交通路網系統運能帶來的影響，提前做好災害天氣環境下的應急預案。
值得一提的是，交通數字孿生平台並不是封閉的。它可以對合作夥伴開放低成本低門檻的API介面，方便他們進行業務系統集成調用，做大做強交通產業生態。
除了城市交通之外，城際高速公路也是交通數字孿生的重要應用場景。
在這個場景中，數字孿生技術強調的是主動運營，也就是把整個高速公路管理起來。
通過ETC、攝像頭、車聯網終端、RSU（路側單元）、蜂窩基站甚至衛星，可以實現數據的傳輸。通過雲端或現場MEC（邊緣計算節點），可以進行數據的計算和處理。
對於高速公路的管理部門來說，基於感知到的車流、路面、天氣、事故數據，可以輕松實現對高速公路全要素全時空的主動安全式精細管控，例如車道級定位及引導，動態路徑編排，交通基礎設施調控，等等。
對於駕駛員來說，交通數字孿生技術具備准確率達到95%的精準感知能力，以及300ms端到端時延的通信能力。它可以將異常事件告警以視覺和聲音的方式，發送到駕駛員的孿生終端上，提高駕駛員的安全通行能力。
尤其是在惡劣天氣（例如大霧、暴雨等）以及黑夜情況下，駕駛員的視線受阻，可以通過孿生駕駛員端獲取實時精準的周邊路況情況。
基於交通數字孿生技術，系統還可以為車主提供LBS伴隨式服務，將服務通過微信、地圖App等方式，推送給車主，改善駕乘體驗。
交通數字孿生技術的另外一個顯著特點，是可計算能力。
它主要體現在模擬預測的道路交通可計算和空間可計算能力。通過模擬預測，可以預知未來1個小時的交通流狀況，支撐不同交通管理場景的應急預案模擬，為決策者提供科學量化的決策依據和數據支撐。
最後再說說現在很火的無人駕駛。
無人駕駛是智慧出行的一個終極發展方向。目前，各大廠商都在積極進行相關技術的研究和測試。
然而，想要實現無人駕駛技術的普及，最重要的一點，就是行駛數據的海量測試和學習。但是，目前的法律法規，以及路況條件，並不允許無人駕駛車輛隨意進入真實道路環境進行測試。這時，數字孿生環境就可以發揮作用了。
基於數字孿生環境，可以自由組合構建自動駕駛測試環境，在雲端實現城市級雲模擬環境的並行加速測試，而且是7×24小時不間斷測試，每天可以測試1000萬公里。這對於無人駕駛技術來說，簡直就是福音。無人駕駛技術的開發周期可以大幅縮短，加速普及落地。
總而言之，數字孿生作為一項「虛實結合」的數字化轉型技術，正在各個領域加速落地。產業互聯網高速發展的時代浪潮，更是推動了它的價值爆發。
未來的一百年，人類如果想要實現更大的野心，以數字孿生為代表的虛擬空間技術，將是重要的工具和場景。
數字孿生到底還有多大的潛力？讓我們拭目以待吧！