我相信很多人都聽(tīng)聞過(guò)數(shù)字孿生。在過(guò)去的幾年里，這個(gè)詞的關(guān)注度不斷地飆升，經(jīng)常出現(xiàn)在各種峰會(huì)論壇的演講主題當(dāng)中，深受行業(yè)內(nèi)外的特別關(guān)注。到底何為數(shù)字孿生？它又是誰(shuí)提出來(lái)的？它會(huì)給人們的生活帶來(lái)怎樣的變化？
一、數(shù)字孿生究竟是什么？
數(shù)字孿生，英文名為DigitalTwin(數(shù)字雙胞胎)，也稱(chēng)之為數(shù)字映射、數(shù)字鏡像。它的官方定義十分復(fù)雜：
數(shù)字孿生是充分運(yùn)用物理模型、傳感器更新、運(yùn)作歷史等數(shù)據(jù)信息，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的模擬仿真過(guò)程，在虛擬空間中進(jìn)行映射，進(jìn)而反映對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。簡(jiǎn)便而言，數(shù)字孿生便是在一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)的基礎(chǔ)上創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字版的“克隆體”。這個(gè)“克隆體”也稱(chēng)之為“數(shù)字孿生體”。
它被創(chuàng)建在信息化平臺(tái)上，是虛擬的。數(shù)字孿生體最大的特性就在于：它是對(duì)實(shí)體目標(biāo)(本體)的動(dòng)態(tài)模擬仿真。這也就是說(shuō)，數(shù)字孿生體是會(huì)“動(dòng)”的。它“動(dòng)”的依據(jù)來(lái)自于本體的物理設(shè)計(jì)模型，還有就是本體上面?zhèn)鞲衅鞣答伒臄?shù)據(jù)信息，以及本體運(yùn)作的歷史數(shù)據(jù)。倘若需要做系統(tǒng)設(shè)計(jì)變動(dòng)，或者需要知道系統(tǒng)在特殊外部條件下的反應(yīng)，工程師們可以在孿生體上進(jìn)行“實(shí)驗(yàn)”。如此一來(lái)，既避免了對(duì)本體的影響，還可以提高效率、節(jié)約成本。除去“會(huì)動(dòng)”之外，正確理解數(shù)字孿生還需要記住三個(gè)關(guān)鍵詞，分別是“全生命周期”、“實(shí)時(shí)/準(zhǔn)實(shí)時(shí)”、“雙向”。
數(shù)字孿生是起源于工業(yè)界的概念。在工業(yè)制造領(lǐng)域，有個(gè)詞叫做“產(chǎn)品生命周期管理(PLM)”。全生命周期，指的是數(shù)字孿生可以貫穿產(chǎn)品包括設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、制造、服務(wù)、維護(hù)甚至報(bào)廢回收的整個(gè)周期。它并不僅僅局限于協(xié)助企業(yè)把產(chǎn)品更好的造出來(lái)，還包括協(xié)助用戶(hù)更好的使用產(chǎn)品。而實(shí)時(shí)/準(zhǔn)實(shí)時(shí)，指的是本體和孿生體之間，可以構(gòu)建全面的實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)聯(lián)系。兩者之間并不是完全獨(dú)立的，映射關(guān)系也具有一定的實(shí)時(shí)性。雙向，指的是本體和孿生體之間的數(shù)據(jù)信息流動(dòng)可以是雙向的。并不是只有本體向?qū)\生體輸出數(shù)據(jù)信息，孿生體也可以向本體反饋信息。企業(yè)可以根據(jù)孿生體反饋的信息，對(duì)本體采取更進(jìn)一步的行動(dòng)和干預(yù)。
二、數(shù)字孿生的歷史與實(shí)例
說(shuō)到“數(shù)字孿生”這個(gè)概念的創(chuàng)造者，行業(yè)里并沒(méi)有明確的說(shuō)法。許多 人覺(jué)得，數(shù)字孿生是美國(guó)密歇根大學(xué)教授MichaelGrieves博士于2002年提出的。但這種說(shuō)法并沒(méi)有書(shū)面形式的文獻(xiàn)或資料可以支撐。MichaelGrieves博士在2014年發(fā)布的文章中，曾“追溯”自己曾在2002年密歇根大學(xué)PLM中心一次演講中，提及了類(lèi)似于數(shù)字孿生的有關(guān)概念。他還“追溯”自己曾在2003年的一次高管培訓(xùn)上，提出了“物理產(chǎn)品的數(shù)字等同體或數(shù)字孿生體概念”。然而，這些都沒(méi)有確鑿的文獻(xiàn)資料或影像資料證據(jù)。真正有據(jù)可查的“數(shù)字孿生”概念提出者，是美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室。
2011年3月，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)力學(xué)部門(mén)進(jìn)行了一次演講，題目是“Condition-basedMaintenancePlusStructuralIntegrity(CBM+SI)&theAirframeDigitalTwin(基于狀態(tài)的維護(hù)+結(jié)構(gòu)完整性&戰(zhàn)機(jī)機(jī)體數(shù)字孿生)”，初次明確提及了數(shù)字孿生。在當(dāng)時(shí)，AFRL希望完成戰(zhàn)機(jī)維護(hù)工作的數(shù)字化，而數(shù)字孿生是他們想出來(lái)的創(chuàng)新方法。
當(dāng)美國(guó)空軍意識(shí)到數(shù)字孿生具備很強(qiáng)實(shí)用意義的同時(shí)，另一家企業(yè)也對(duì)數(shù)字孿生產(chǎn)生了濃郁的興趣，它便是美國(guó)通用電氣公司。美國(guó)通用電氣公司在為美國(guó)國(guó)防部提供F-35聯(lián)合戰(zhàn)機(jī)解決方案的時(shí)候，發(fā)覺(jué)了數(shù)字孿生體的價(jià)值。后來(lái)NASA將數(shù)字孿生的理念運(yùn)用在阿波羅計(jì)劃中，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了兩個(gè)相同的太空飛行器，以反映地球上太空的狀況，進(jìn)行訓(xùn)練和飛行準(zhǔn)備。
數(shù)字孿生被Gartner評(píng)選為未來(lái)最為重要的十大關(guān)鍵技術(shù)之一，Gartner認(rèn)為，到2021年，一半以上的大型工業(yè)公司將使用數(shù)字孿生，從而使這些組織的工作效率提升10%。
微軟推出了AzureDigitalTwin服務(wù)，可以構(gòu)建任何物理環(huán)境的數(shù)字模型，包括連接它們的人員、地點(diǎn)、事物、關(guān)系和流程，并與物理世界保持同步。通過(guò)AzureDigitalTwins，用戶(hù)可以在空間的語(yǔ)境中查看數(shù)據(jù)信息，該服務(wù)將成為AzureIoT平臺(tái)的一部分。阿里巴巴城市大腦則提出了“數(shù)字孿生交通”、“數(shù)字孿生城市”、“數(shù)字孿生生態(tài)”三個(gè)階段的數(shù)字孿生藍(lán)圖。
三、數(shù)字孿生的價(jià)值
1、工業(yè)制造
數(shù)字孿生技術(shù)可以在網(wǎng)絡(luò)空間中再現(xiàn)產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)，并使產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字空間模型和物理空間模型始終處于實(shí)時(shí)交互中，兩者之間可以及時(shí)地把握彼此的動(dòng)態(tài)變化并實(shí)時(shí)地作出響應(yīng)，為實(shí)現(xiàn)智能制造提供了強(qiáng)有力的保障，同時(shí)也更進(jìn)一步加快了智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)相融合。
近些年來(lái)，數(shù)字孿生這個(gè)前沿技術(shù)已經(jīng)獲得了工業(yè)界與學(xué)術(shù)界的廣泛性關(guān)注。全世界最具權(quán)威性的IT研究與顧問(wèn)咨詢(xún)公司Gartner將數(shù)字孿生列入十大戰(zhàn)略性科技發(fā)展趨勢(shì)之一。現(xiàn)階段，數(shù)字孿生主要被運(yùn)用于制造業(yè)領(lǐng)域，國(guó)際數(shù)據(jù)公司表示現(xiàn)如今有40%的大型制造商都在運(yùn)用這種虛擬仿真技術(shù)為生產(chǎn)過(guò)程建模，數(shù)字孿生已成為制造企業(yè)邁向工業(yè)4.0的解決方案。2020年，有210億個(gè)連接的傳感器和終端服務(wù)于數(shù)字孿生，在不久的將來(lái)數(shù)字化孿生將存在數(shù)十億種。
伴隨著工業(yè)4.0，智能制造等技術(shù)和發(fā)展戰(zhàn)略的不斷出臺(tái)，數(shù)字孿生技術(shù)逐漸成為了智能制造的一個(gè)基本要素，并獲得了各方的普遍性關(guān)注。洛克希德馬丁公司于2017年11月將數(shù)字孿生列入2018年未來(lái)國(guó)防和航天工業(yè)頂尖技術(shù)之首；英國(guó)國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施委員會(huì)于2017年12月發(fā)布《數(shù)據(jù)的公共利益報(bào)告》，提出創(chuàng)建一個(gè)與國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施相對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生體，并于2019年1月啟動(dòng)相關(guān)計(jì)劃；Gartner公司連續(xù)3年(2017-2019年)將數(shù)字孿生列入當(dāng)年十大戰(zhàn)略性科技發(fā)展趨勢(shì)之一。
黨的十九大報(bào)告明確指出要加快建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)，《中國(guó)制造2025》指出“將智能制造作為兩化融合的主攻方向，推動(dòng)生產(chǎn)過(guò)程智能化，培育新型生產(chǎn)方式，全面提升企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的智能化水平”。在這個(gè)背景下，數(shù)字孿生技術(shù)受到廣泛性關(guān)注，將引發(fā)巨大的發(fā)展?jié)摿Α?
2、智慧城市
如果物理世界是一個(gè)工廠，則對(duì)應(yīng)的數(shù)字世界是數(shù)字孿生工廠，如果物理世界是一個(gè)城市，那么對(duì)應(yīng)的數(shù)字世界即數(shù)字孿生城市。從工業(yè)引伸到城市，也是順理成章的結(jié)果，因?yàn)槌鞘惺菙?shù)字化更大的舞臺(tái)，是由人與物件、事件構(gòu)成的繁雜巨系統(tǒng)，比工廠更為豐富多彩。城市發(fā)展時(shí)至今日仍面臨著比較嚴(yán)重的問(wèn)題，傳統(tǒng)的發(fā)展模式已經(jīng)失效，以信息化為引擎的數(shù)字城市、智慧城市成為了城市發(fā)展的新理念和新模式。雖說(shuō)數(shù)字城市的提出由來(lái)已久，但此前的概念并沒(méi)有上升到數(shù)字孿生的高度，這與技術(shù)發(fā)展的階段有關(guān)，目前數(shù)字孿生城市的內(nèi)涵，才真正的體現(xiàn)了數(shù)字城市想要實(shí)現(xiàn)的愿景目標(biāo)。
智慧城市是數(shù)字城市發(fā)展的高級(jí)階段，數(shù)字孿生城市做為數(shù)字城市的目標(biāo)，卻也是智慧城市建設(shè)的新起點(diǎn)，它是城市實(shí)現(xiàn)智慧的重要設(shè)施和基礎(chǔ)能力，是技術(shù)驅(qū)動(dòng)下城市信息化從量變邁向質(zhì)變的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。由點(diǎn)到線，由線到面，基于數(shù)字化標(biāo)識(shí)、自動(dòng)化感知、網(wǎng)絡(luò)化連接、智能化控制、平臺(tái)化服務(wù)等強(qiáng)大技術(shù)能力，使數(shù)字城市模型可以完整的浮出水面，做為一個(gè)孿生體與物理城市平行運(yùn)轉(zhuǎn)，虛實(shí)融合蘊(yùn)含無(wú)限的創(chuàng)新空間。
數(shù)字孿生城市的搭建將引發(fā)城市智能化管理和服務(wù)的重大顛覆式創(chuàng)新。設(shè)想一下，與物理城市對(duì)應(yīng)有一個(gè)數(shù)字孿生城市，物理城市所有的人、物件、事件、建筑、道路、設(shè)施等，都會(huì)在數(shù)字世界有虛擬映像，信息可見(jiàn)，軌跡可循，狀態(tài)可查，虛實(shí)同步運(yùn)轉(zhuǎn)，情景交融，過(guò)去可追溯，未來(lái)可預(yù)期，當(dāng)下知冷暖，見(jiàn)微知著，睹始知終，全市一盤(pán)棋盡在掌握，一切可管可控，管理扁平化、服務(wù)一站式，信息多跑路、人力少跑腿，虛擬服務(wù)現(xiàn)實(shí)、模擬仿真決策，精細(xì)化管理豈非容易，人性化服務(wù)豈非不難，城市智慧再不是空話。事實(shí)上，印度海德拉巴、新加坡，還有我們國(guó)家的深圳、雄安，都已經(jīng)在做這方面的探索和嘗試。大量的投資，正在涌入“智慧城市+數(shù)字孿生”的應(yīng)用場(chǎng)景。
阿里的“城市大腦”、“數(shù)字平行世界”，還有科大訊飛的“訊飛超腦”，都有涉及到智慧城市和數(shù)字孿生的結(jié)合。
3、基建工程
基建工程也是數(shù)字孿生的一個(gè)重要的應(yīng)用場(chǎng)景。尤其是對(duì)中國(guó)這個(gè)“基建狂魔”而言，引進(jìn)數(shù)字孿生意義更為重大。我們?cè)谛藿ǜ咚俟贰蛄旱然A(chǔ)設(shè)施前，完成對(duì)工程的數(shù)字化建模，隨后在虛擬的數(shù)字空間對(duì)工程進(jìn)行仿真和模擬，評(píng)估工程的結(jié)構(gòu)和承受能力，還可以導(dǎo)入流量數(shù)據(jù)，評(píng)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(hù)階段評(píng)估工程是否可以承擔(dān)特殊情況的壓力。以及檢測(cè)可能會(huì)出現(xiàn)的安全隱患。
除了以上所述領(lǐng)域之外，包含醫(yī)療、物流、環(huán)保等許多場(chǎng)景都適合運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，應(yīng)用場(chǎng)景非常廣闊。