從2016年起，Gartner已經(jīng)連續(xù)四年將“數(shù)字孿生”（Digital Twin）列為當年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢，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，A股相關(guān)概念股全線飄紅，“數(shù)字孿生”才在國內(nèi)進入了“實紅”階段。
今年初，波音737 MAX在不到五個月內(nèi)發(fā)生了兩起嚴重的墜機空難，將人們的關(guān)注度集中到了如何讓飛機在制造、維修和飛行過程中更加安全可控。除了常規(guī)的檢修，還有一個被熱議的技術(shù)方案，那就是“數(shù)字孿生”（Digital Twin）。
作為十大戰(zhàn)略科技趨勢，數(shù)字孿生被Gartner定義為以數(shù)字化方式再現(xiàn)真實的實體或系統(tǒng)。
比如，一架飛機從設(shè)計、生產(chǎn)階段開始，就構(gòu)造一個數(shù)字模型；在飛機投入使用后，這個數(shù)字模型也會模擬記錄飛機的損耗情況，反映飛機的整個生命周期。
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、實時、精準的連接，因此這個技術(shù)可以為工業(yè)制造、未來生活帶來無限的可能。據(jù)Gartner預(yù)測，到2020年，互聯(lián)傳感器與端點將多達超過200億，數(shù)字孿生將服務(wù)于數(shù)十億個物件。
今天我們就來聊聊，擁有如此技術(shù)前景的“數(shù)字孿生”到底是什么？可以應(yīng)用在哪些場景中？
什么是數(shù)字孿生？
最早定義“數(shù)字孿生”的是美國密歇根大學的Michael Grieves教授在2003年提出“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達”。他提議將數(shù)字孿生與工程設(shè)計進行對比，來更好的理解產(chǎn)品的生產(chǎn)與設(shè)計，在設(shè)計與執(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，對數(shù)字孿生的架構(gòu)進行了清晰的描述。德勤認為通過數(shù)字孿生企業(yè)可以實現(xiàn)產(chǎn)品快速面市、改善運營、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，一個是存在于現(xiàn)實世界的實體，另一個只存在虛擬和數(shù)字世界之中，是利用數(shù)字技術(shù)營造的與現(xiàn)實世界對稱的鏡像。
值得注意的是，數(shù)字孿生不僅僅是對現(xiàn)實實體的虛擬再現(xiàn)，還可以模擬對象在現(xiàn)實環(huán)境中的行為特征，例如：
過去，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。
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)的驗證工作和裝配可行性的驗證工作大為簡化，大幅度減少了迭代過程中物理樣機的制造次數(shù)、時間以及成本。
從這個角度看，數(shù)字孿生能夠加速人們對于物理實體的了解，甚至通過模擬各種可能性，實現(xiàn)對未來趨勢的預(yù)測，提供更全面的決策支持。
數(shù)字孿生的應(yīng)用場景
在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，數(shù)字孿生是一個很自然的概念。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)字的方式來描述出來，配對出專業(yè)設(shè)備的虛擬映射，以更好的了解和掌握實體，這正是通過數(shù)字孿生的方式去實現(xiàn)。
但有人認為，數(shù)字孿生只存在于工業(yè)領(lǐng)域，這顯然是一種錯誤認知。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，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計，制造和智能服務(wù)等閉環(huán)優(yōu)化，它實際上貫穿了產(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)實技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生逐步擴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)計階段的數(shù)字孿生
在產(chǎn)品的設(shè)計階段，利用數(shù)字孿生可以提高設(shè)計的準確性，并驗證產(chǎn)品在真實環(huán)境中的性能。
例如，在汽車設(shè)計過程中，由于對節(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3D Experience，準確進行空氣動力學、流體聲學等方面的分析和仿真，在外形設(shè)計通過數(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，通過數(shù)字孿生的理念，對軟件里的數(shù)字化模型進行設(shè)計和測試，縮短了30%的新款車型設(shè)計開發(fā)時間，將跑車上市的時間縮短了16個月，同時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)字孿生是一個高度協(xié)同的過程，通過數(shù)字化手段構(gòu)建起來的虛擬生產(chǎn)線，將產(chǎn)品本身的數(shù)字孿生，同生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)過程等其他形態(tài)的數(shù)字孿生高度集成起來，可以加快產(chǎn)品導入的時間，提高產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量、降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品的交付速度，實現(xiàn)穩(wěn)定并不斷優(yōu)化的生產(chǎn)過程。
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，從大型裝備到消費級產(chǎn)品，都使用了大量的傳感器來采集產(chǎn)品運行階段的環(huán)境和工作狀態(tài)，并通過數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化來避免產(chǎn)品的故障，改善用戶對產(chǎn)品的使用體驗。
這個階段的數(shù)字孿生，可以實現(xiàn)如：遠程監(jiān)控和預(yù)測性維修、優(yōu)化客戶的生產(chǎn)指標、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)場服務(wù)的工程師提供服務(wù)的指導和幫助。
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、智能物流多領(lǐng)域已有應(yīng)用。
在航空航天領(lǐng)域，美國國防部最早提出利用Digital Twin技術(shù)，用于航空航天飛數(shù)據(jù)流動與信息鏡像行器的健康維護與保障。首先在數(shù)字空間建立真實飛機的模型，并通過傳感器實現(xiàn)與飛機真實狀態(tài)完全同步，這樣每次飛行后，根據(jù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有情況和過往載荷，及時分析評估是否需要維修，能否承受下次的任務(wù)載荷等。
在油氣探測領(lǐng)域，運用數(shù)字孿生理念，構(gòu)建地下三維空間大數(shù)據(jù)平臺，不僅能精準評估地下油氣資源、地熱能資源及其儲量經(jīng)濟性，還通過多學科一體化高效科學管理，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、自動分揀機器人等快遞黑科技基本實現(xiàn)信息化智能化，基本實現(xiàn)24小時可以到達全國的很多地方。
數(shù)字孿生的未來
目前很多企業(yè)都在嘗試利用數(shù)字孿生促進產(chǎn)品全生命周期管理，越來越多的案例就發(fā)生在我們身邊。而我們尚處于變局的原點，數(shù)字孿生未來的發(fā)展空間巨大，至少在這些場景為人們留下了想象空間。
遠程操控
通過數(shù)字模型，我們將可以實現(xiàn)設(shè)備的遠程操控。在未來，遠程輔助、遠程操作、遠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，無人機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、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。
推動現(xiàn)實世界探索
在未來，無人機、自動駕駛汽車、傳感器將取代當前網(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、紋理、比重、反射、氣壓等物理世界的屬性。隨著時間的推移，新的搜索引擎將能夠在數(shù)字世界和現(xiàn)實世界中找到幾乎所有的東西。
健康監(jiān)測與管理
未來，我們每個人都將擁有自己的數(shù)字孿生體。通過各種新型醫(yī)療檢測和掃描儀器以及可穿戴設(shè)備，我們可以完美地復(fù)制出一個數(shù)字化身體，并可以追蹤這個數(shù)字化身體每一部分的運動與變化，從而更好地進行健康監(jiān)測和管理。
大腦活動的監(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，美國惠普公司正在與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院合作開展Blue Brain項目，旨在建立哺乳動物大腦的數(shù)字模型，以期發(fā)現(xiàn)大腦的工作原理，利用大量的計算方法來模擬大腦的運動、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，在當下的技術(shù)水平看來，對設(shè)備進行精確的全域感知依然有難度。物理實體的數(shù)據(jù)不夠詳盡，因此數(shù)字副本也會有所缺失，這就會導致數(shù)字副本得出的預(yù)測和判斷有誤差。
除此之外，軟件上還需要更加先進的算法，硬件上需要運算能力更強大的處理架構(gòu)，以及更精密耐用的各類傳感器。
數(shù)字孿生技術(shù)未來可期，但距離實現(xiàn)目標，依然遙遠。
