從2016年起，Gartner已經(jīng)連續(xù)四年將“數(shù)字孿生”（Digital Twin）列為當(dāng)年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)，數(shù)字孿生成為在IoT、智能制造大潮中非常流行的詞匯。但是人們一直認(rèn)為“數(shù)字孿生”仍處于概念階段，直到今年百度指數(shù)一度破萬(wàn)，A股相關(guān)概念股全線飄紅，“數(shù)字孿生”才在國(guó)內(nèi)進(jìn)入了“實(shí)紅”階段。

今年初，波音737 MAX在不到五個(gè)月內(nèi)發(fā)生了兩起嚴(yán)重的墜機(jī)空難，將人們的關(guān)注度集中到了如何讓飛機(jī)在制造、維修和飛行過(guò)程中更加安全可控。除了常規(guī)的檢修，還有一個(gè)被熱議的技術(shù)方案，那就是“數(shù)字孿生”（Digital Twin）。

作為十大戰(zhàn)略科技趨勢(shì)，數(shù)字孿生被Gartner定義為以數(shù)字化方式再現(xiàn)真實(shí)的實(shí)體或系統(tǒng)。

比如，一架飛機(jī)從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)階段開始，就構(gòu)造一個(gè)數(shù)字模型；在飛機(jī)投入使用后，這個(gè)數(shù)字模型也會(huì)模擬記錄飛機(jī)的損耗情況，反映飛機(jī)的整個(gè)生命周期。

由于數(shù)字孿生在物理世界和數(shù)字世界之間建立起全面、實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的連接，因此這個(gè)技術(shù)可以為工業(yè)制造、未來(lái)生活帶來(lái)無(wú)限的可能。據(jù)Gartner預(yù)測(cè)，到2020年，互聯(lián)傳感器與端點(diǎn)將多達(dá)超過(guò)200億，數(shù)字孿生將服務(wù)于數(shù)十億個(gè)物件。

今天我們就來(lái)聊聊，擁有如此技術(shù)前景的“數(shù)字孿生”到底是什么？可以應(yīng)用在哪些場(chǎng)景中？

什么是數(shù)字孿生？

最早定義“數(shù)字孿生”的是美國(guó)密歇根大學(xué)的Michael Grieves教授在2003年提出“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”。他提議將數(shù)字孿生與工程設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，來(lái)更好的理解產(chǎn)品的生產(chǎn)與設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)與執(zhí)行之間形成緊密的閉環(huán)。

知名咨詢公司德勤（Deloitte）在2017年發(fā)布的“工業(yè)4.0與數(shù)字孿生”中，對(duì)數(shù)字孿生的架構(gòu)進(jìn)行了清晰的描述。德勤認(rèn)為通過(guò)數(shù)字孿生企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速面市、改善運(yùn)營(yíng)、創(chuàng)新的業(yè)務(wù)模式以及降低生產(chǎn)缺陷。

數(shù)字孿生，顧名思義，就是數(shù)字形式的雙胞胎。在“數(shù)字孿生”中，一個(gè)是存在于現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體，另一個(gè)只存在虛擬和數(shù)字世界之中，是利用數(shù)字技術(shù)營(yíng)造的與現(xiàn)實(shí)世界對(duì)稱的鏡像。

值得注意的是，數(shù)字孿生不僅僅是對(duì)現(xiàn)實(shí)實(shí)體的虛擬再現(xiàn)，還可以模擬對(duì)象在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為特征，例如：

過(guò)去，在沒有數(shù)字孿生幫助之下，制造一件產(chǎn)品要經(jīng)歷很多次迭代設(shè)計(jì)。

現(xiàn)在，采用了數(shù)字孿生技術(shù)，就可以在虛擬的三維數(shù)字空間輕松地修改部件和產(chǎn)品的每一處尺寸和裝配關(guān)系。這使得幾何結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證工作和裝配可行性的驗(yàn)證工作大為簡(jiǎn)化，大幅度減少了迭代過(guò)程中物理樣機(jī)的制造次數(shù)、時(shí)間以及成本。

從這個(gè)角度看，數(shù)字孿生能夠加速人們對(duì)于物理實(shí)體的了解，甚至通過(guò)模擬各種可能性，實(shí)現(xiàn)對(duì)未來(lái)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，提供更全面的決策支持。

數(shù)字孿生的應(yīng)用場(chǎng)景

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，數(shù)字孿生是一個(gè)很自然的概念。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)首先要把設(shè)備連接，然后把設(shè)備以數(shù)字的方式來(lái)描述出來(lái)，配對(duì)出專業(yè)設(shè)備的虛擬映射，以更好的了解和掌握實(shí)體，這正是通過(guò)數(shù)字孿生的方式去實(shí)現(xiàn)。

但有人認(rèn)為，數(shù)字孿生只存在于工業(yè)領(lǐng)域，這顯然是一種錯(cuò)誤認(rèn)知。數(shù)字孿生并不局限于特定的行業(yè)或者領(lǐng)域，而是貫穿整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)邏輯。

借助數(shù)字孿生，可以集成復(fù)雜的制造工藝，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，制造和智能服務(wù)等閉環(huán)優(yōu)化，它實(shí)際上貫穿了產(chǎn)品生命周期中的不同階段。

2014年以后，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生逐步擴(kuò)展到了包括制造和服務(wù)在內(nèi)的完整的產(chǎn)品周期階段，并不斷豐富著數(shù)字孿生的形態(tài)和概念。

設(shè)計(jì)階段的數(shù)字孿生

在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，利用數(shù)字孿生可以提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，并驗(yàn)證產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境中的性能。

例如，在汽車設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于對(duì)節(jié)能減排的要求，數(shù)字孿生技術(shù)幫助包括寶馬、特斯拉、豐田在內(nèi)的汽車公司利用其CAD和CAE平臺(tái)3D Experience，準(zhǔn)確進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)、流體聲學(xué)等方面的分析和仿真，在外形設(shè)計(jì)通過(guò)數(shù)據(jù)分析和仿真，大幅度地提升流線性，減少了空氣阻力。

意大利豪車品牌瑪莎拉蒂生產(chǎn)的全新一代的Ghibli跑車，通過(guò)數(shù)字孿生的理念，對(duì)軟件里的數(shù)字化模型進(jìn)行設(shè)計(jì)和測(cè)試，縮短了30%的新款車型設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間，將跑車上市的時(shí)間縮短了16個(gè)月，同時(shí)Ghibli跑車的產(chǎn)量提升了3倍，卻又保持了不變的品質(zhì)。

制造階段的數(shù)字孿生

產(chǎn)品制造階段的數(shù)字孿生是一個(gè)高度協(xié)同的過(guò)程，通過(guò)數(shù)字化手段構(gòu)建起來(lái)的虛擬生產(chǎn)線，將產(chǎn)品本身的數(shù)字孿生，同生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程等其他形態(tài)的數(shù)字孿生高度集成起來(lái)，可以加快產(chǎn)品導(dǎo)入的時(shí)間，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量、降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品的交付速度，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定并不斷優(yōu)化的生產(chǎn)過(guò)程。

服務(wù)階段的數(shù)字孿生

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟和傳感器成本的下降，很多工業(yè)產(chǎn)品，從大型裝備到消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品，都使用了大量的傳感器來(lái)采集產(chǎn)品運(yùn)行階段的環(huán)境和工作狀態(tài)，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化來(lái)避免產(chǎn)品的故障，改善用戶對(duì)產(chǎn)品的使用體驗(yàn)。

這個(gè)階段的數(shù)字孿生，可以實(shí)現(xiàn)如：遠(yuǎn)程監(jiān)控和預(yù)測(cè)性維修、優(yōu)化客戶的生產(chǎn)指標(biāo)、產(chǎn)品使用反饋等功能。

比如，在售后服務(wù)中，數(shù)字孿生可以很方便為售后服務(wù)工程師提供服務(wù)，在AR里直接為現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)的工程師提供服務(wù)的指導(dǎo)和幫助。

目前，除了在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，數(shù)字孿生在航空航天、油氣探測(cè)、智能物流多領(lǐng)域已有應(yīng)用。

在航空航天領(lǐng)域，美國(guó)國(guó)防部最早提出利用Digital Twin技術(shù)，用于航空航天飛數(shù)據(jù)流動(dòng)與信息鏡像行器的健康維護(hù)與保障。首先在數(shù)字空間建立真實(shí)飛機(jī)的模型，并通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)真實(shí)狀態(tài)完全同步，這樣每次飛行后，根據(jù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有情況和過(guò)往載荷，及時(shí)分析評(píng)估是否需要維修，能否承受下次的任務(wù)載荷等。

在油氣探測(cè)領(lǐng)域，運(yùn)用數(shù)字孿生理念，構(gòu)建地下三維空間大數(shù)據(jù)平臺(tái)，不僅能精準(zhǔn)評(píng)估地下油氣資源、地?zé)崮苜Y源及其儲(chǔ)量經(jīng)濟(jì)性，還通過(guò)多學(xué)科一體化高效科學(xué)管理，大大提高了地下三維勘探精度。

在智能物流領(lǐng)域，數(shù)字孿生大屏、自動(dòng)分揀機(jī)器人等快遞黑科技基本實(shí)現(xiàn)信息化智能化，基本實(shí)現(xiàn)24小時(shí)可以到達(dá)全國(guó)的很多地方。

數(shù)字孿生的未來(lái)

目前很多企業(yè)都在嘗試?yán)脭?shù)字孿生促進(jìn)產(chǎn)品全生命周期管理，越來(lái)越多的案例就發(fā)生在我們身邊。而我們尚處于變局的原點(diǎn)，數(shù)字孿生未來(lái)的發(fā)展空間巨大，至少在這些場(chǎng)景為人們留下了想象空間。

遠(yuǎn)程操控

通過(guò)數(shù)字模型，我們將可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程操控。在未來(lái)，遠(yuǎn)程輔助、遠(yuǎn)程操作、遠(yuǎn)程緊急命令都將成為日常管理的常用匯詞。

智慧城市管理

未來(lái)，無(wú)人機(jī)群將為城市提供基于圖像掃描的城市數(shù)字模型，街道、社區(qū)、娛樂(lè)、商業(yè)等各功能模塊都將擁有數(shù)字模型。

隨著城市數(shù)字模型的擴(kuò)充與發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)將覆蓋城市的每條電力線、變電站、污水系統(tǒng)、供水和排水系統(tǒng)、城市應(yīng)急系統(tǒng)、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，高速公路，交通控制系統(tǒng)等所有看見或看不見的地方，而城市管理將更加輕松可控。

推動(dòng)現(xiàn)實(shí)世界探索

在未來(lái)，無(wú)人機(jī)、自動(dòng)駕駛汽車、傳感器將取代當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)爬蟲的工作，搜索技術(shù)將變得更加復(fù)雜，我們將能夠搜索氣味、味道、振動(dòng)、紋理、比重、反射、氣壓等物理世界的屬性。隨著時(shí)間的推移，新的搜索引擎將能夠在數(shù)字世界和現(xiàn)實(shí)世界中找到幾乎所有的東西。

健康監(jiān)測(cè)與管理

未來(lái)，我們每個(gè)人都將擁有自己的數(shù)字孿生體。通過(guò)各種新型醫(yī)療檢測(cè)和掃描儀器以及可穿戴設(shè)備，我們可以完美地復(fù)制出一個(gè)數(shù)字化身體，并可以追蹤這個(gè)數(shù)字化身體每一部分的運(yùn)動(dòng)與變化，從而更好地進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)和管理。

大腦活動(dòng)的監(jiān)控與管理

人腦是大自然中最復(fù)雜的產(chǎn)品之一，很多國(guó)家的科研人員正在試圖用數(shù)字化技術(shù)找出人類大腦的思考方式。

例如，美國(guó)惠普公司正在與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院合作開展Blue Brain項(xiàng)目，旨在建立哺乳動(dòng)物大腦的數(shù)字模型，以期發(fā)現(xiàn)大腦的工作原理，利用大量的計(jì)算方法來(lái)模擬大腦的運(yùn)動(dòng)、感知和管理等功能，從而協(xié)助腦部疾病的診斷與治療。

總體而言，目前我們依然處于這項(xiàng)技術(shù)很早期的階段。

數(shù)字孿生高度依賴傳感器所采集的數(shù)據(jù)和信息，在當(dāng)下的技術(shù)水平看來(lái)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行精確的全域感知依然有難度。物理實(shí)體的數(shù)據(jù)不夠詳盡，因此數(shù)字副本也會(huì)有所缺失，這就會(huì)導(dǎo)致數(shù)字副本得出的預(yù)測(cè)和判斷有誤差。

除此之外，軟件上還需要更加先進(jìn)的算法，硬件上需要運(yùn)算能力更強(qiáng)大的處理架構(gòu)，以及更精密耐用的各類傳感器。

數(shù)字孿生技術(shù)未來(lái)可期，但距離實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，依然遙遠(yuǎn)。

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