深入淺出，什么是數字孿生？

導讀：相信很多人都聽說過數字孿生。在過去幾年，這個詞的熱度不斷攀升，頻繁出現(xiàn)在各大峰會論壇的演講主題之中，備受行業(yè)內外的關注。

今天小棗君要給大家介紹的，是一個聽起來就很高大上的概念——數字孿生。

相信很多人都聽說過數字孿生。在過去幾年，這個詞的熱度不斷攀升，頻繁出現(xiàn)在各大峰會論壇的演講主題之中，備受行業(yè)內外的關注。

究竟什么是數字孿生?它是誰提出來的?它會給我們的生活帶來什么樣的改變?

帶著這些問題，我們來看今天這篇文章——

什么是數字孿生

數字孿生，英文名叫Digital Twin(數字雙胞胎)，也被稱為數字映射、數字鏡像。

它的官方定義非常復雜，是這么說的：

數字孿生，是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。

看暈了吧?其實，簡單來說，數字孿生就是在一個設備或系統(tǒng)的基礎上，創(chuàng)造一個數字版的“克隆體”。

這個“克隆體”，也被稱為“數字孿生體”。它被創(chuàng)建在信息化平臺上，是虛擬的。

也許你會說，這不就是電腦上的設計圖紙嘛?CAD搞搞不就有了?

其實不然。相比于設計圖紙，數字孿生體最大的特點在于：它是對實體對象(姑且就稱為“本體”吧)的動態(tài)仿真。也就是說，數字孿生體是會“動”的。

而且，數字孿生體不是隨便亂“動”。它“動”的依據，來自本體的物理設計模型，還有本體上面?zhèn)鞲衅鞣答伒臄祿?，以及本體運行的歷史數據。

說白了，本體的實時狀態(tài)，還有外界環(huán)境條件，都會復現(xiàn)到“孿生體”身上。

如果需要做系統(tǒng)設計改動，或者想要知道系統(tǒng)在特殊外部條件下的反應，工程師們可以在孿生體上進行“實驗”。這樣一來，既避免了對本體的影響，也可以提高效率、節(jié)約成本。

除了“會動”之外，理解數字孿生還需要記住三個關鍵詞，分別是“全生命周期”、“實時/準實時”、“雙向”。

數字孿生是源自工業(yè)界的概念。在工業(yè)制造領域，有一個詞叫做“產品生命周期管理(PLM)”。相信很多人都聽說過。

全生命周期，是指數字孿生可以貫穿產品包括設計、開發(fā)、制造、服務、維護乃至報廢回收的整個周期。它并不僅限于幫助企業(yè)把產品更好地造出來，還包括幫助用戶更好地使用產品。

而實時/準實時，是指本體和孿生體之間，可以建立全面的實時或準實時聯(lián)系。兩者并不是完全獨立的，映射關系也具備一定的實時性。

雙向，是指本體和孿生體之間的數據流動可以是雙向的。并不是只能本體向孿生體輸出數據，孿生體也可以向本體反饋信息。企業(yè)可以根據孿生體反饋的信息，對本體采取進一步的行動和干預。

數字孿生的起源

說到“數字孿生”這個概念的發(fā)明者，行業(yè)里并沒有明確的說法。

很多人認為，數字孿生是美國密歇根大學教授Michael Grieves博士于2002年提出的。

Michael Grieves博士

但這種說法并沒有書面的文獻或資料可以支撐。

Michael Grieves博士在2014年發(fā)布的文章中，曾經“追溯”自己曾經在2002年密歇根大學PLM中心一次演講中，提及了類似數字孿生的相關概念。他還“追溯”自己曾經在2003年的一次高管培訓上，提出了“物理產品的數字等同體或數字孿生體概念”。

然而，這些都沒有確鑿的文獻或影像資料證據。

真正有據可查的“數字孿生”概念提出者，是美國空軍研究實驗室(AFRL，Air Force Research Laboratory)。

AFRL徽標

2011年3月，美國空軍研究實驗室結構力學部門的Pamela A. Kobryn和Eric J. Tuegel，做了一次演講，題目是“Condition-based Maintenance Plus Structural Integrity (CBM+SI) & the Airframe Digital Twin(基于狀態(tài)的維護+結構完整性&戰(zhàn)斗機機體數字孿生)”，首次明確提到了數字孿生。

當時，AFRL希望實現(xiàn)戰(zhàn)斗機維護工作的數字化，而數字孿生是他們想出來的創(chuàng)新方法。

當美國空軍意識到數字孿生具有很強實用意義的同時，另一家企業(yè)也對數字孿生產生了濃厚的興趣，它就是美國通用電氣公司(GE)。

美國通用電氣公司(GE)

美國通用電氣公司在為美國國防部提供F-35聯(lián)合攻擊機解決方案的時候，發(fā)現(xiàn)了數字孿生體的價值。

不知道大家是否還記得小棗君之前那篇介紹工業(yè)4.0的文章?是的，美國通用電氣公司，就是美國先進制造戰(zhàn)略(美國版的工業(yè)4.0)的主要推手。

當時的美國通用，一直在致力于研究工業(yè)數字化，以及如何構建工業(yè)互聯(lián)網體系。顯然，數字孿生對工業(yè)4.0非常有用，可以說是如魚得水。

再后來，德國西門子(德國工業(yè)4.0的代表企業(yè))也跟著擁抱了數字孿生，將其奉為至寶。

2015年左右，中國也開始跟進。當時包括工業(yè)4.0研究院在內的多家國內研究機構和企業(yè)，紛紛啟動了數字孿生相關的研究課題。

從那之后，數字孿生這個概念，就開始風靡互聯(lián)網和產業(yè)界，直至今日。

數字孿生的價值

只是建了一個數字孿生體，憑什么說它會影響第四次工業(yè)革命的發(fā)展?它到底能給傳統(tǒng)產業(yè)帶來哪些好處?

我們通過案例來解釋說明一下。

工業(yè)制造

數字孿生起源于工業(yè)制造領域。工業(yè)制造也是數字孿生的主要戰(zhàn)場。

生產流程數字孿生模型(圖片來自德勤大學出版社)

前面我們介紹數字孿生概念的時候，其實已經提到了這塊的內容。

在產品研發(fā)的過程中，數字孿生可以虛擬構建產品數字化模型，對其進行仿真測試和驗證。生產制造時，可以模擬設備的運轉，還有參數調整帶來的變化。

數字孿生能夠有效提升產品的可靠性和可用性，同時降低產品研發(fā)和制造風險。

維護階段，數字孿生也能發(fā)揮重要作用。

正如前文所說，美國空軍提出數字孿生，就是為了幫助更好地維護戰(zhàn)斗機。

采用數字孿生技術，通過對運行數據進行連續(xù)采集和智能分析，可以預測維護工作的最佳時間點，也可以提供維護周期的參考依據。數字孿生體也可以提供故障點和故障概率的參考。

數字孿生給工業(yè)制造帶來了顯而易見的效率提升和成本下降，使得幾乎所有的工業(yè)巨頭趨之若鶩。

以美國通用公司為例。他們號稱自己已經為每個引擎、每個渦輪、每臺核磁共振創(chuàng)造了一個數字孿生體(截至2018年，GE已經擁有120萬個數字孿生體)。

圖片來自GE官網

通過這些擬真的數字化模型，工程師們可以在虛擬空間調試、實驗，能夠讓機器的運行效果達到最佳。

國內的很多工業(yè)科技企業(yè)也在數字孿生技術上有所布局，其中包括樹根互聯(lián)、研華科技、軟通動力等。

智慧城市

除了工業(yè)制造之外，數字孿生和5G、智慧城市也有非常密切的關系。

我們知道，5G將開啟“萬物互聯(lián)”的時代，它使得人類的連接技術到了前所未有的高度。

未來，在5G的支持下，云和端之間可以建立更緊密的連接。這也就意味著，更多的數據將被采集并集中在一起。

這些數據，可以幫助構建更強大的數字孿生體。例如，一個數字孿生城市。

如今，我們的城市布滿了各種各樣的傳感器、攝像頭。借助包括5G在內的物聯(lián)網技術，這些終端采集的數據可以更快地被提取出來。

在數字孿生城市中，基礎設施(水、電、氣、交通等)的運行狀態(tài)，市政資源(警力、醫(yī)療、消防等)的調配情況，都會通過傳感器、攝像頭、數字化子系統(tǒng)采集出來，并通過包括5G在內的物聯(lián)網技術傳遞到云端。

城市的管理者，基于這些數據，以及城市模型，構建數字孿生體，從而更高效地管理城市。

相比于工業(yè)制造的“產品生命周期”，城市的“生命周期”更長，數字孿生帶來的回報更大。當然，城市數字孿生的部署難度也更大。

事實上，印度海德拉巴、新加坡，還有我們中國的深圳、雄安，都已經在做這方面的摸索和嘗試。大量的投資，正在涌向“智慧城市+數字孿生”的應用場景。

Virtual Singapore(虛擬新加坡)計劃

阿里的“城市大腦”、“數字平行世界”，還有科大訊飛的“訊飛超腦”，都涉及到智慧城市和數字孿生的結合。

基建工程

基建工程也是數字孿生的一個重要應用領域。尤其是對中國這個“基建狂魔”來說，引入數字孿生意義更加重大。

我們在修建高速公路、橋梁等基礎設施前，完成對工程的數字化建模，然后在虛擬的數字空間對工程進行仿真和模擬，評估工程的結構和承受能力，還可以導入流量數據，評估工程是否可以滿足投入使用后的需求。

在工程交付之后，還可以在維護階段評估工程是否可以承擔特殊情況的壓力。以及監(jiān)測可能出現(xiàn)的事故隱患。

除了上述領域之外，包括醫(yī)療、物流、環(huán)保等很多場景都適合采用數字孿生技術，應用場景非常廣闊。

結 語

總而言之，數字孿生是一項非常有潛力的前沿技術，會給企業(yè)帶來豐厚的價值回報。

也正因為如此，很多投資機構趁機熱炒數字孿生的概念，也有很多企業(yè)迫不及待想要擁抱數字孿生。

根據全球知名咨詢公司Gartner2019年初的調查，部署物聯(lián)網的企業(yè)和組織中，已有13%應用數字孿生，62%的組織正在準備使用數字孿生。

Gartner還將數字孿生列為2019年十大戰(zhàn)略性技術趨勢。

但是，我們還是應該理性看待數字孿生。

擁抱數字孿生，既需要深厚的技術沉淀，也需要巨大的資金投入，還需要管理水平和員工技能達到相應的層次。

目前這個階段，國內大部分企業(yè)都不具備這個條件。如果盲目跟風、倉促上馬，投資很可能會血本無歸。

相對來說，潛心研究、客觀評估、謹慎投入，才是打開數字孿生世界的正確姿勢。

好啦，今天的內容就到這里，感謝大家的耐心閱讀，我們下期再見!

參考文獻：

1、《工業(yè)4.0與數字孿生》，德勤

2、《數字孿生體是誰提出的?》，工業(yè)4.0研究院

3、《數字孿生：為城市和你創(chuàng)造一個虛擬副本》，陳龍

4、《數字孿生：打造生力產品，重塑客戶體驗》，埃森哲