深入淺出，什么是數(shù)字孿生？

導(dǎo)讀：相信很多人都聽說過數(shù)字孿生。在過去幾年，這個(gè)詞的熱度不斷攀升，頻繁出現(xiàn)在各大峰會(huì)論壇的演講主題之中，備受行業(yè)內(nèi)外的關(guān)注。

今天小棗君要給大家介紹的，是一個(gè)聽起來就很高大上的概念——數(shù)字孿生。

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

究竟什么是數(shù)字孿生?它是誰提出來的?它會(huì)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(shù)字孿生

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

它的官方定義非常復(fù)雜，是這么說的：

數(shù)字孿生，是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)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(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。

看暈了吧?其實(shí)，簡(jiǎn)單來說，數(shù)字孿生就是在一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造一個(gè)數(shù)字版的“克隆體”。

這個(gè)“克隆體”，也被稱為“數(shù)字孿生體”。它被創(chuàng)建在信息化平臺(tái)上，是虛擬的。

也許你會(huì)說，這不就是電腦上的設(shè)計(jì)圖紙嘛?CAD搞搞不就有了?

其實(shí)不然。相比于設(shè)計(jì)圖紙，數(shù)字孿生體最大的特點(diǎn)在于：它是對(duì)實(shí)體對(duì)象(姑且就稱為“本體”吧)的動(dòng)態(tài)仿真。也就是說，數(shù)字孿生體是會(huì)“動(dòng)”的。

而且，數(shù)字孿生體不是隨便亂“動(dòng)”。它“動(dòng)”的依據(jù)，來自本體的物理設(shè)計(jì)模型，還有本體上面?zhèn)鞲衅鞣答伒臄?shù)據(jù)，以及本體運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)。

說白了，本體的實(shí)時(shí)狀態(tài)，還有外界環(huán)境條件，都會(huì)復(fù)現(xiàn)到“孿生體”身上。

如果需要做系統(tǒng)設(shè)計(jì)改動(dòng)，或者想要知道系統(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)”。這樣一來，既避免了對(duì)本體的影響，也可以提高效率、節(jié)約成本。

除了“會(huì)動(dòng)”之外，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)字孿生是源自工業(yè)界的概念。在工業(yè)制造領(lǐng)域，有一個(gè)詞叫做“產(chǎn)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(shù)字孿生可以貫穿產(chǎn)品包括設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造、服務(wù)、維護(hù)乃至報(bào)廢回收的整個(gè)周期。它并不僅限于幫助企業(yè)把產(chǎn)品更好地造出來，還包括幫助用戶更好地使用產(chǎn)品。

而實(shí)時(shí)/準(zhǔn)實(shí)時(shí)，是指本體和孿生體之間，可以建立全面的實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)聯(lián)系。兩者并不是完全獨(dú)立的，映射關(guān)系也具備一定的實(shí)時(shí)性。

雙向，是指本體和孿生體之間的數(shù)據(jù)流動(dòng)可以是雙向的。并不是只能本體向?qū)\生體輸出數(shù)據(jù)，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)本體采取進(jìn)一步的行動(dòng)和干預(yù)。

數(shù)字孿生的起源

說到“數(shù)字孿生”這個(gè)概念的發(fā)明者，行業(yè)里并沒有明確的說法。

很多人認(rèn)為，數(shù)字孿生是美國(guó)密歇根大學(xué)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(xiàn)或資料可以支撐。

Michael Grieves博士在2014年發(fā)布的文章中，曾經(jīng)“追溯”自己曾經(jīng)在2002年密歇根大學(xué)PLM中心一次演講中，提及了類似數(shù)字孿生的相關(guān)概念。他還“追溯”自己曾經(jīng)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，這些都沒有確鑿的文獻(xiàn)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(AFRL，Air Force Research Laboratory)。

AFRL徽標(biāo)

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(hù)+結(jié)構(gòu)完整性&戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)體數(shù)字孿生)”，首次明確提到了數(shù)字孿生。

當(dāng)時(shí)，AFRL希望實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗機(jī)維護(hù)工作的數(shù)字化，而數(shù)字孿生是他們想出來的創(chuàng)新方法。

當(dāng)美國(guó)空軍意識(shí)到數(shù)字孿生具有很強(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)生了濃厚的興趣，它就是美國(guó)通用電氣公司(GE)。

美國(guó)通用電氣公司(GE)

美國(guó)通用電氣公司在為美國(guó)國(guó)防部提供F-35聯(lián)合攻擊機(jī)解決方案的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)了數(shù)字孿生體的價(jià)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(guó)通用電氣公司，就是美國(guó)先進(jìn)制造戰(zhàn)略(美國(guó)版的工業(yè)4.0)的主要推手。

當(dāng)時(shí)的美國(guó)通用，一直在致力于研究工業(yè)數(shù)字化，以及如何構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系。顯然，數(shù)字孿生對(duì)工業(yè)4.0非常有用，可以說是如魚得水。

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

2015年左右，中國(guó)也開始跟進(jìn)。當(dāng)時(shí)包括工業(yè)4.0研究院在內(nèi)的多家國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)，紛紛啟動(dòng)了數(shù)字孿生相關(guān)的研究課題。

從那之后，數(shù)字孿生這個(gè)概念，就開始風(fēng)靡互聯(lián)網(wǎng)和產(chǎn)業(yè)界，直至今日。

數(shù)字孿生的價(jià)值

只是建了一個(gè)數(shù)字孿生體，憑什么說它會(huì)影響第四次工業(yè)革命的發(fā)展?它到底能給傳統(tǒng)產(chǎn)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(shù)字孿生起源于工業(yè)制造領(lǐng)域。工業(yè)制造也是數(shù)字孿生的主要戰(zhàn)場(chǎng)。

生產(chǎn)流程數(shù)字孿生模型(圖片來自德勤大學(xué)出版社)

前面我們介紹數(shù)字孿生概念的時(shí)候，其實(shí)已經(jīng)提到了這塊的內(nèi)容。

在產(chǎn)品研發(fā)的過程中，數(shù)字孿生可以虛擬構(gòu)建產(chǎn)品數(shù)字化模型，對(duì)其進(jìn)行仿真測(cè)試和驗(yàn)證。生產(chǎn)制造時(shí)，可以模擬設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，還有參數(shù)調(diào)整帶來的變化。

數(shù)字孿生能夠有效提升產(chǎn)品的可靠性和可用性，同時(shí)降低產(chǎn)品研發(fā)和制造風(fēng)險(xiǎn)。

維護(hù)階段，數(shù)字孿生也能發(fā)揮重要作用。

正如前文所說，美國(guó)空軍提出數(shù)字孿生，就是為了幫助更好地維護(hù)戰(zhàn)斗機(jī)。

采用數(shù)字孿生技術(shù)，通過對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)采集和智能分析，可以預(yù)測(cè)維護(hù)工作的最佳時(shí)間點(diǎn)，也可以提供維護(hù)周期的參考依據(jù)。數(shù)字孿生體也可以提供故障點(diǎn)和故障概率的參考。

數(shù)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(guó)通用公司為例。他們號(hào)稱自己已經(jīng)為每個(gè)引擎、每個(gè)渦輪、每臺(tái)核磁共振創(chuàng)造了一個(gè)數(shù)字孿生體(截至2018年，GE已經(jīng)擁有120萬個(gè)數(shù)字孿生體)。

圖片來自GE官網(wǎng)

通過這些擬真的數(shù)字化模型，工程師們可以在虛擬空間調(diào)試、實(shí)驗(yàn)，能夠讓機(jī)器的運(yùn)行效果達(dá)到最佳。

國(guó)內(nèi)的很多工業(yè)科技企業(yè)也在數(shù)字孿生技術(shù)上有所布局，其中包括樹根互聯(lián)、研華科技、軟通動(dòng)力等。

智慧城市

除了工業(yè)制造之外，數(shù)字孿生和5G、智慧城市也有非常密切的關(guān)系。

我們知道，5G將開啟“萬物互聯(lián)”的時(shí)代，它使得人類的連接技術(shù)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(shù)據(jù)將被采集并集中在一起。

這些數(shù)據(jù)，可以幫助構(gòu)建更強(qiáng)大的數(shù)字孿生體。例如，一個(gè)數(shù)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(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，這些終端采集的數(shù)據(jù)可以更快地被提取出來。

在數(shù)字孿生城市中，基礎(chǔ)設(shè)施(水、電、氣、交通等)的運(yùn)行狀態(tài)，市政資源(警力、醫(yī)療、消防等)的調(diào)配情況，都會(huì)通過傳感器、攝像頭、數(shù)字化子系統(tǒng)采集出來，并通過包括5G在內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳遞到云端。

城市的管理者，基于這些數(shù)據(jù)，以及城市模型，構(gòu)建數(shù)字孿生體，從而更高效地管理城市。

相比于工業(yè)制造的“產(chǎn)品生命周期”，城市的“生命周期”更長(zhǎng)，數(shù)字孿生帶來的回報(bào)更大。當(dāng)然，城市數(shù)字孿生的部署難度也更大。

事實(shí)上，印度海德拉巴、新加坡，還有我們中國(guó)的深圳、雄安，都已經(jīng)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(shù)字孿生”的應(yīng)用場(chǎng)景。

Virtual Singapore(虛擬新加坡)計(jì)劃

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”，都涉及到智慧城市和數(shù)字孿生的結(jié)合。

基建工程

基建工程也是數(shù)字孿生的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。尤其是對(duì)中國(guó)這個(gè)“基建狂魔”來說，引入數(shù)字孿生意義更加重大。

我們?cè)谛藿ǜ咚俟?、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施前，完成對(duì)工程的數(shù)字化建模，然后在虛擬的數(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。以及監(jiān)測(cè)可能出現(xiàn)的事故隱患。

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

結(jié) 語

總而言之，數(shù)字孿生是一項(xiàng)非常有潛力的前沿技術(shù)，會(huì)給企業(yè)帶來豐厚的價(jià)值回報(bào)。

也正因?yàn)槿绱耍芏嗤顿Y機(jī)構(gòu)趁機(jī)熱炒數(shù)字孿生的概念，也有很多企業(yè)迫不及待想要擁抱數(shù)字孿生。

根據(jù)全球知名咨詢公司Gartner2019年初的調(diào)查，部署物聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)和組織中，已有13%應(yīng)用數(shù)字孿生，62%的組織正在準(zhǔn)備使用數(shù)字孿生。

Gartner還將數(shù)字孿生列為2019年十大戰(zhàn)略性技術(shù)趨勢(shì)。

但是，我們還是應(yīng)該理性看待數(shù)字孿生。

擁抱數(shù)字孿生，既需要深厚的技術(shù)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(dá)到相應(yīng)的層次。

目前這個(gè)階段，國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)都不具備這個(gè)條件。如果盲目跟風(fēng)、倉(cāng)促上馬，投資很可能會(huì)血本無歸。

相對(duì)來說，潛心研究、客觀評(píng)估、謹(jǐn)慎投入，才是打開數(shù)字孿生世界的正確姿勢(shì)。

好啦，今天的內(nèi)容就到這里，感謝大家的耐心閱讀，我們下期再見!

參考文獻(xiàn)：

1、《工業(yè)4.0與數(shù)字孿生》，德勤

2、《數(shù)字孿生體是誰提出的?》，工業(yè)4.0研究院

3、《數(shù)字孿生：為城市和你創(chuàng)造一個(gè)虛擬副本》，陳龍

4、《數(shù)字孿生：打造生力產(chǎn)品，重塑客戶體驗(yàn)》，埃森哲