當(dāng)前，數(shù)字孿生（Digital twin）是各界關(guān)注的熱點(diǎn)，全球著名IT研究機(jī)構(gòu)Gartner曾在2017至2019年連續(xù)三年將數(shù)字孿生列為十大新興技術(shù)之一。隨著時(shí)間的推移，我們這個(gè)世界的萬(wàn)事萬(wàn)物幾乎都可以與其數(shù)字對(duì)象動(dòng)態(tài)地相互連接，并能夠基于AI實(shí)現(xiàn)高級(jí)仿真、運(yùn)營(yíng)和分析，Gartner公司副總裁David Cearley Cearley指出：從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，從事城市規(guī)劃、數(shù)字營(yíng)銷(xiāo)、醫(yī)療保健和工業(yè)規(guī)劃的專(zhuān)業(yè)人士都將在向集成的數(shù)字孿生世界轉(zhuǎn)型中獲益。例如，未來(lái)的人類(lèi)數(shù)字模型可以提供生物識(shí)別和醫(yī)療數(shù)據(jù)，而整個(gè)城市的數(shù)字孿生模型將能夠?qū)崿F(xiàn)高級(jí)模擬。
1、數(shù)字孿生的含義
很多業(yè)界主流公司都對(duì)數(shù)字孿生給出了自己的理解和定義，本文對(duì)Gartner在過(guò)去三年對(duì)數(shù)字孿生的論述進(jìn)行解讀。
2017年，Gartner在十大新興技術(shù)專(zhuān)題中對(duì)數(shù)字孿生的解釋是：數(shù)字孿生是實(shí)物或系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)軟件模型，在三到五年內(nèi)，數(shù)十億計(jì)的實(shí)物將通過(guò)數(shù)字孿生來(lái)表達(dá)。通過(guò)應(yīng)用實(shí)物的零部件運(yùn)行和對(duì)環(huán)境做出反應(yīng)的物理數(shù)據(jù)，以及來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生可用于分析和模擬實(shí)際運(yùn)行狀況、應(yīng)對(duì)變化、改善運(yùn)營(yíng)、實(shí)現(xiàn)增值。數(shù)字孿生所發(fā)揮的作用就像一個(gè)專(zhuān)業(yè)技師和傳統(tǒng)的監(jiān)控和控制器（例如壓力表）的結(jié)合體。
△Gartner2017年發(fā)布的新興技術(shù)成熟度曲線
（在Gartner2017年發(fā)布的新興技術(shù)成熟度曲線中，數(shù)字孿生處于創(chuàng)新萌發(fā)期，距離成熟應(yīng)用還有5-10年時(shí)間）
2018年，Gartner在十大新興技術(shù)專(zhuān)題中對(duì)數(shù)字孿生的解釋是：數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)世界實(shí)物或系統(tǒng)的數(shù)字化表達(dá)。隨著物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字孿生可以連接現(xiàn)實(shí)世界的對(duì)象，提供其狀態(tài)信息，響應(yīng)變化，改善運(yùn)營(yíng)并增加價(jià)值。到2020年，估計(jì)將有210億個(gè)傳感器和末端接入點(diǎn)連接在一起，在不久的將來(lái)，數(shù)十億計(jì)物體將擁有數(shù)字孿生模型。David Cearley指出，通過(guò)維修、維護(hù)與運(yùn)營(yíng)（MRO）以及通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)提升設(shè)備運(yùn)營(yíng)績(jī)效，有望節(jié)省數(shù)十億美元。
△Gartner2018年發(fā)布的新興技術(shù)成熟度曲線
（從2018年Gartner發(fā)布的新興技術(shù)成熟度曲線中可以看出，數(shù)字孿生已經(jīng)進(jìn)入了過(guò)熱期，其建設(shè)和預(yù)期出現(xiàn)了高峰，超出其當(dāng)前能力，會(huì)形成投資泡沫）
2019年，Gartner在十大新興技術(shù)專(zhuān)題中對(duì)數(shù)字孿生的解釋如下：數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)生活中物體、流程或系統(tǒng)的數(shù)字鏡像。當(dāng)前的重點(diǎn)是基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的數(shù)字孿生，可以通過(guò)提供維護(hù)和可靠性信息，洞察產(chǎn)品如何更有效地運(yùn)行和有關(guān)新產(chǎn)品的數(shù)據(jù)，以改善企業(yè)決策。如今的數(shù)字孿生有以下四點(diǎn)不同：
?模型的健壯性，聚焦于如何支持特定的業(yè)務(wù)成果
?與現(xiàn)實(shí)世界的連接，具有實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制的潛力
?應(yīng)用高級(jí)大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)來(lái)獲取新的商機(jī)
?數(shù)字孿生模型與實(shí)物模型的交互，并評(píng)估各種場(chǎng)景如何應(yīng)對(duì)的能力
上從述分析中可以看出，Gartner對(duì)于數(shù)字孿生的理解是一個(gè)不斷演進(jìn)的過(guò)程，而數(shù)字孿生的應(yīng)用主體也不局限于基于物聯(lián)網(wǎng)來(lái)洞察和提升產(chǎn)品的運(yùn)行績(jī)效，而是延伸到更廣闊的領(lǐng)域，例如工廠的數(shù)字孿生、城市的數(shù)字孿生，甚至組織的數(shù)字孿生。
2、數(shù)字孿生的基本特征
數(shù)字孿生的基本特征是虛實(shí)映射。通過(guò)對(duì)物理實(shí)體構(gòu)建數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)物理模型和數(shù)字孿生模型的雙向映射。構(gòu)建數(shù)字孿生模型不是目的，而是手段，需要通過(guò)對(duì)數(shù)字孿生模型的分析與優(yōu)化，來(lái)改善其對(duì)應(yīng)的物理實(shí)體的性能和運(yùn)行績(jī)效。
任何物理實(shí)體都可以創(chuàng)建其數(shù)字孿生模型，一個(gè)零件、一個(gè)部件、一個(gè)產(chǎn)品、一臺(tái)設(shè)備、一把加工刀具、一條生產(chǎn)線、一個(gè)車(chē)間、一座工廠、一個(gè)建筑、一座城市，乃至一顆心臟、一個(gè)人體等。對(duì)于不同的物理實(shí)體，其數(shù)字孿生模型的用途和側(cè)重點(diǎn)差異很大。
例如，達(dá)索系統(tǒng)幫助新加坡構(gòu)建了數(shù)字城市，建立了一座城市的數(shù)字孿生模型，不僅包括了地理信息的三維模型，各種建筑的三維模型，還包括了各種地下管線的三維模型。該模型作為城市的數(shù)字化檔案，可以用于優(yōu)化城市交通，便于各種公共設(shè)施的維護(hù)。Biodigital公司創(chuàng)建了生物數(shù)字人體模擬演示的在線平臺(tái)，可以幫助醫(yī)生和科學(xué)家研究人體構(gòu)造，進(jìn)行模擬試驗(yàn)。在太空探索的過(guò)程中，科學(xué)家通過(guò)數(shù)字孿生模型對(duì)遠(yuǎn)在太空的航天器，例如登陸火星的“好奇號(hào)”火星車(chē)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、仿真與操控。顯然，物理實(shí)體的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生模型也會(huì)越復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生應(yīng)用的難度也更大。
△圖源：達(dá)索系統(tǒng)（新加坡數(shù)字城市）
3、數(shù)字孿生的關(guān)鍵使能技術(shù)
數(shù)字孿生迅速成為熱潮，源于數(shù)字化設(shè)計(jì)、虛擬仿真和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）等關(guān)鍵使能技術(shù)的蓬勃發(fā)展與交叉融合。
數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)從早期的二維設(shè)計(jì)發(fā)展到三維建模，從三維線框造型進(jìn)化到三維實(shí)體造型、特征造型，產(chǎn)生了諸如直接建模、同步建模、混合建模等技術(shù)，以及面向建筑與施工行業(yè)的BIM技術(shù)（建筑信息模型）。產(chǎn)品的三維模型中不僅包括幾何信息、裝配關(guān)系，還包括PMI（產(chǎn)品制造信息，包括尺寸、公差、形位公差、粗糙度和材料規(guī)格等信息）等制造信息，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)MBD（基于模型的產(chǎn)品定義）。
為了支持產(chǎn)品三維模型的快速瀏覽，可以從三維特征模型中抽取出僅包括幾何信息的輕量化三維模型?；谌S造型和三維顯示技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）取得了蓬勃發(fā)展，廣泛用于汽車(chē)、飛機(jī)、工廠等復(fù)雜對(duì)象的虛擬體驗(yàn)，包括沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)Cave，用于產(chǎn)品展示和市場(chǎng)推廣的三維渲染技術(shù)，以及基于視景仿真的模擬駕駛技術(shù)等。近年來(lái)又發(fā)展起來(lái)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR)，其特點(diǎn)是可以將實(shí)物模型和數(shù)字化模型融合在一個(gè)可視化環(huán)境之中，從而實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的可視化，還可以進(jìn)行產(chǎn)品操作、裝拆及維修過(guò)程的三維可視化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品操作培訓(xùn)、維修維護(hù)等應(yīng)用。
隨著傳感器技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，二十一世紀(jì)以來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用越來(lái)越廣。除在消費(fèi)領(lǐng)域應(yīng)用之外，為了支持高價(jià)值工業(yè)設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)控和維修維護(hù)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）開(kāi)始受到業(yè)界廣泛關(guān)注。IIOT采集的數(shù)據(jù)類(lèi)型和采集頻率比普通的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用高得多，而應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型和分析方法也比普通的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用復(fù)雜得多。
4、數(shù)字孿生在制造業(yè)的典型應(yīng)用場(chǎng)景
數(shù)字孿生技術(shù)在各個(gè)行業(yè)有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。陶飛教授團(tuán)隊(duì)在《計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)》2018年第1期刊登的“數(shù)字孿生及其應(yīng)用探索”一文中，歸納了14種應(yīng)用場(chǎng)景，后來(lái)又在論文中介紹了數(shù)字孿生在航空航天、電力、汽車(chē)、石油天然氣、健康醫(yī)療、船舶航運(yùn)、城市管理、智慧農(nóng)業(yè)、建筑建設(shè)、安全急救、環(huán)境保護(hù)等11個(gè)領(lǐng)域，45個(gè)細(xì)分類(lèi)的應(yīng)用。
△數(shù)字孿生的工業(yè)應(yīng)用（來(lái)源：陶飛教授）
e-works認(rèn)為，數(shù)字孿生在制造業(yè)的應(yīng)用前景廣闊。其中，產(chǎn)品的數(shù)字孿生應(yīng)用覆蓋產(chǎn)品的研發(fā)、工藝規(guī)劃、制造、測(cè)試、運(yùn)維等各個(gè)生命周期，可以幫助企業(yè)推進(jìn)數(shù)字化營(yíng)銷(xiāo)和自助式服務(wù)，有助于企業(yè)提升維護(hù)服務(wù)收入，創(chuàng)新商業(yè)模式；工廠數(shù)字孿生在工廠設(shè)計(jì)、建造，生產(chǎn)線調(diào)試、安裝，工廠運(yùn)行監(jiān)控、工業(yè)安全等方面都可以對(duì)企業(yè)帶來(lái)價(jià)值；數(shù)字孿生在供應(yīng)鏈管理領(lǐng)域也可以應(yīng)用，例如車(chē)間物流調(diào)度、運(yùn)輸路徑優(yōu)化等。
5、數(shù)字孿生的推進(jìn)策略
e-works認(rèn)為，數(shù)字孿生是制造業(yè)推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能制造的戰(zhàn)略舉措和現(xiàn)實(shí)途徑之一。對(duì)于制造企業(yè)而言，推進(jìn)數(shù)字孿生應(yīng)用需要建立明確的目標(biāo)，以?xún)r(jià)值為導(dǎo)向，建立跨部門(mén)的推進(jìn)組織，結(jié)合IT、自動(dòng)化、研發(fā)、仿真、工藝、測(cè)試、設(shè)備運(yùn)維等部門(mén)的團(tuán)隊(duì)，并引入專(zhuān)業(yè)咨詢(xún)機(jī)構(gòu)，務(wù)實(shí)推進(jìn)。
數(shù)字孿生應(yīng)用是IT/OT融合的典型應(yīng)用，要實(shí)現(xiàn)虛實(shí)映射，需要搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，明確應(yīng)用對(duì)象的重點(diǎn)是企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品、工廠、供應(yīng)鏈；面向產(chǎn)品的數(shù)字孿生應(yīng)用重點(diǎn)是支持產(chǎn)品研發(fā)、市場(chǎng)推廣還是運(yùn)營(yíng)維護(hù)；面向工廠的數(shù)字孿生應(yīng)用重點(diǎn)是工廠或產(chǎn)線建設(shè)期間的虛擬調(diào)試，還是工廠運(yùn)營(yíng)階段的可視化與優(yōu)化。推進(jìn)數(shù)字孿生需要制定整體規(guī)劃，合理把控風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合具體目標(biāo)，分步實(shí)施，不能搞“大而全”的應(yīng)用。埃森哲《數(shù)字孿生：打造生力產(chǎn)品，重塑客戶(hù)體驗(yàn)》白皮書(shū)提出了推進(jìn)數(shù)字孿生應(yīng)用的四個(gè)階段：
△埃森哲：推進(jìn)數(shù)字孿生應(yīng)用的四個(gè)階段
在數(shù)字孿生的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，不可能，也沒(méi)有必要盲目追求所有數(shù)字孿生模型的“高保真”。因?yàn)楸Ｕ娑鹊奶嵘馕吨鴺?gòu)建數(shù)字孿生模型的難度和成本的大幅度提升，同時(shí)，對(duì)數(shù)字孿生模型進(jìn)行分析的復(fù)雜性和耗時(shí)也會(huì)迅速攀升。數(shù)字孿生模型越復(fù)雜，也就越難以實(shí)現(xiàn)虛實(shí)映射的實(shí)時(shí)性。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，對(duì)所有零部件的多物理場(chǎng)都進(jìn)行復(fù)雜的三維仿真耗時(shí)很長(zhǎng)，往往會(huì)進(jìn)行降階處理，通過(guò)一維仿真對(duì)產(chǎn)品的整體性能進(jìn)行分析。因此，企業(yè)需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求和性能價(jià)格比來(lái)選擇構(gòu)建不同保真度的數(shù)字孿生模型。
