科技不僅是一個時代的標簽，它所引導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)變革更是在雕刻這個時代。
數(shù)字時代下，數(shù)字孿生作為最重要的數(shù)字技術(shù)之一在人類社會數(shù)字化的進程中具有不可替代的重要意義，也因此頻繁出現(xiàn)在各大峰會論壇的演講主題之中，備受行業(yè)內(nèi)外的關(guān)注。
此前在紐約，微軟首席執(zhí)行官薩蒂亞?納德拉就將數(shù)字孿生稱為最大的科技趨勢之一。而全球著名IT研究機構(gòu)Gartner更是在2017年至2019年連續(xù)三年將數(shù)字孿生列為十大新興技術(shù)之一。
隨著數(shù)字孿生概念的成熟和技術(shù)的發(fā)展，從部件到整機，從產(chǎn)品到產(chǎn)線，從生產(chǎn)到服務(wù)，從靜態(tài)到動態(tài)，一個數(shù)字孿生世界正在被不斷構(gòu)筑。當前，基于傳感器、智能裝備、工業(yè)軟件、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、IoT、云計算和邊緣計算的成熟和更廣泛的商業(yè)實踐積累，數(shù)字孿生也走到了一個新的時間節(jié)點。
數(shù)字孿生將實體的數(shù)據(jù)實時轉(zhuǎn)移到虛擬空間，為實現(xiàn)數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的產(chǎn)業(yè)模式提供了一個虛擬的底座，也承載著人類的野心，為人類的未來想象提供了一條愈發(fā)清晰的探索之路。
數(shù)字孿生的概念演進
數(shù)字孿生這一概念誕生在美國，2002年，密歇根大學(xué)教授邁克爾·格里夫斯在產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出了“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達”的概念：一個或一組特定裝置的數(shù)字復(fù)制品，能夠抽象表達真實裝置并可以此為基礎(chǔ)進行真實條件或模擬條件下的測試。其概念源于對裝置的信息和數(shù)據(jù)進行更清晰地表達的期望，希望能夠?qū)⑺械男畔⒎旁谝黄疬M行更高層次的分析。
而將這種理念付諸實踐的則是早于理念提出的美國國家航天局（NASA）的阿波羅項目，在該項目中，NASA 需要制造兩個完全一樣的空間飛行器，留在地球上的飛行器被稱為“孿生體”， 用來反映（或做鏡像）正在執(zhí)行任務(wù)的空間飛行器的狀態(tài)。
時下，許多業(yè)界主流公司都對數(shù)字孿生給出了自己的理解和定義，但實際上，人們對于數(shù)字孿生的認識依然是一個不斷演進的過程。
這從Gartner在過去三年對數(shù)字孿生的論述中，便可見一斑。2017年，Gartner對數(shù)字孿生的解釋是：實物或系統(tǒng)的動態(tài)軟件模型，在三到五年內(nèi)，數(shù)十億計的實物將通過數(shù)字孿生來表達。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年時間。
2018年，Gartner對數(shù)字孿生的解釋是：數(shù)字孿生是現(xiàn)實世界實物或系統(tǒng)的數(shù)字化表達。隨著物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字孿生可以連接現(xiàn)實世界的對象，提供其狀態(tài)信息，響應(yīng)變化，改善運營并增加價值。
2019年，Gartner對數(shù)字孿生的解釋變化為：數(shù)字孿生是現(xiàn)實生活中物體、流程或系統(tǒng)的數(shù)字鏡像。大型系統(tǒng)，例如發(fā)電廠或城市也可以創(chuàng)建其數(shù)字孿生模型。
在數(shù)字孿生概念的成熟和完善過程中，數(shù)字孿生的應(yīng)用主體也再不局限于基于物聯(lián)網(wǎng)來洞察和提升產(chǎn)品的運行績效，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。
橫向來看，在模型維度上，從模型需求與功能的角度，一類觀點認為數(shù)字孿生是三維模型、是物理實體的復(fù)制，或是虛擬樣機。在數(shù)據(jù)維度上，一些認識認為數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的核心驅(qū)動力，側(cè)重了數(shù)字孿生在產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析與挖掘、數(shù)據(jù)集成與融合等方面的價值。
在連接維度上，一類觀點認為數(shù)字孿生是物聯(lián)網(wǎng)平臺或工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，這些觀點側(cè)重從物理世界到虛擬世界的感知接入、可靠傳輸、智能服務(wù)。而對于服務(wù)來說，一類觀點認為數(shù)字孿生是仿真，是虛擬驗證，或是可視化。
盡管當前對數(shù)字孿生存在多種不同認識和理解，目前尚未形成統(tǒng)一共識的定義，但可以確定的是，物理實體、虛擬模型、數(shù)據(jù)、連接和服務(wù)是數(shù)字孿生的核心要素。
展開來說，數(shù)字孿生就是在一個設(shè)備或系統(tǒng)“物理實體”的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造一個數(shù)字版的“虛擬模型”。這個“虛擬模型”被創(chuàng)建在信息化平臺上提供服務(wù)。值得一提的是，與電腦的設(shè)計圖紙又不同，相比于設(shè)計圖紙，數(shù)字孿生體最大的特點在于，它是對實體對象的動態(tài)仿真。也就是說，數(shù)字孿生體是會“動”的。
同時，數(shù)字孿生體“動”的依據(jù)，來自實體對象的物理設(shè)計模型、傳感器反饋的“數(shù)據(jù)”，以及運行的歷史數(shù)據(jù)。實體對象的實時狀態(tài)，還有外界環(huán)境條件，都會“連接”到“孿生體”上。
從虛實映射到全生命周期管理
正是基于數(shù)字孿生的核心要素，加之社會需求的同頻，使得數(shù)字孿生作為一種超越現(xiàn)實的概念，被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)，在后疫情時代熱度不斷攀升。
其中，虛實映射是數(shù)字孿生的基本特征，虛實映射通過對物理實體構(gòu)建數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)物理模型和數(shù)字孿生模型的雙向映射。這對于改善對應(yīng)的物理實體的性能和運行績效無疑具有重要作用。
事實上，對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造、智慧城市、智慧醫(yī)療等未來的智能領(lǐng)域來說，虛擬仿真是其必要的環(huán)節(jié)。而數(shù)字孿生虛實映射的基本特征，則為工業(yè)領(lǐng)制造、城市管理、醫(yī)療創(chuàng)新等領(lǐng)域由“重”轉(zhuǎn)“輕”提供了良好路徑。
以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為例，在現(xiàn)實世界，檢修一臺大型設(shè)備，需要考慮停工的損益、設(shè)備的復(fù)雜構(gòu)造等問題，并安排人員進行實地的排查檢測。顯然，這是一個“重工程”。而通過數(shù)字孿生技術(shù)，檢測人員只需對“數(shù)字孿生體”進行數(shù)據(jù)反饋，即可判斷現(xiàn)實實體設(shè)備的情況，完成排查檢修的目的。
其中，美國GE就借助數(shù)字孿生這一概念，提出物理機械和分析技術(shù)融合的實現(xiàn)途徑，并將數(shù)字孿生應(yīng)用到旗下航空發(fā)動機的引擎、渦輪，以及核磁共振設(shè)備的生產(chǎn)和制造過程中，讓每一臺設(shè)備都擁有了一個數(shù)字化的“雙胞胎”，實現(xiàn)了運維過程的精準監(jiān)測、故障診斷、性能預(yù)測和控制優(yōu)化。
而在新冠肺炎疫情期間，聞名世界的雷神山醫(yī)院便是利用了數(shù)字孿生技術(shù)進行建造。中南建筑設(shè)計院（CSADI）臨危受命，設(shè)計了武漢第二座“小湯山醫(yī)院”——雷神山醫(yī)院，中南建筑設(shè)計院的建筑信息建模（BIM）團隊為雷神山醫(yī)院創(chuàng)造了一個數(shù)字化的“孿生兄弟”。
采用BIM技術(shù)建立雷神山醫(yī)院的數(shù)字孿生模型，根據(jù)項目需求，利用BIM技術(shù)指導(dǎo)和驗證設(shè)計，為設(shè)計建造提供了強有力的支撐。
近年的數(shù)字孿生城市的構(gòu)建，更是引發(fā)城市智能化管理和服務(wù)的顛覆性創(chuàng)新。比如，中國河北的雄安新區(qū)就融合地下給水管、再生水管、熱水管、電力通信纜線等12種市政管線的城市地下綜合管廊數(shù)字孿生體讓人驚艷；江西鷹潭“數(shù)字孿生城市”榮獲巴塞羅那全球智慧城市大會全球智慧城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型獎。
此外，由于虛實映射是對實體對象的動態(tài)仿真，也就意味著數(shù)字孿生模型是一個“不斷生長、不斷豐富”的過程：在整個產(chǎn)品生命周期中，從產(chǎn)品的需求信息、功能信息、材料信息、使用環(huán)境信息、結(jié)構(gòu)信息、裝配信息、工藝信息、測試信息到維護信息，不斷擴展，不斷豐富，不斷完善。
數(shù)字孿生模型越完整，就越能夠逼近其對應(yīng)的實體對象，從而對實體對象進行可視化、分析、優(yōu)化。如果把產(chǎn)品全生命周期各類數(shù)字孿生模型比喻為散亂的珍珠，那么將這些珍珠串起來的鏈子，就是數(shù)字主線（Digital Thread）。數(shù)字主線不僅可以串起各個階段的數(shù)字孿生模型，也包括產(chǎn)品全生命周期的信息，確保在發(fā)生變更時，各類產(chǎn)品信息的一致性。
在全生命周期領(lǐng)域，西門子借助數(shù)字孿生的管理工具——PLM（Product Lifecycle Management）產(chǎn)品生命周期管理軟件將數(shù)字孿生的價值推廣到多個行業(yè)，并在醫(yī)藥、汽車制造領(lǐng)域取得顯著的效果。
以葛蘭素史克疫苗研發(fā)及生產(chǎn)的實驗室為例，通過“數(shù)字化雙胞胎”的全面建設(shè)，使復(fù)雜的疫苗研發(fā)與生產(chǎn)過程，實現(xiàn)完全虛擬的全程“雙胞胎”監(jiān)控，企業(yè)的質(zhì)量控制開支減少13%，它的返工和報廢減少25%，合規(guī)監(jiān)管費用也減少了70%。
從虛實映射到全生命周期管理，數(shù)字孿生展示了對于各個行業(yè)都的廣泛應(yīng)用場景。在2018年《計算機集成制造系統(tǒng)》“數(shù)字孿生及其應(yīng)用探索”一文中，就歸納了包括航空航天、電力、汽車、石油天然氣、健康醫(yī)療、船舶航運、城市管理、智慧農(nóng)業(yè)、建筑建設(shè)、安全急救、環(huán)境保護在內(nèi)的11個領(lǐng)域，45個細分類的應(yīng)用。
這也使數(shù)字孿生成為數(shù)字化轉(zhuǎn)型進程中炙手可熱的焦點。Gartner和樹根互聯(lián)共同出版的行業(yè)白皮書《如何利用數(shù)字孿生幫助企業(yè)創(chuàng)造價值》中預(yù)測，到2021年，半數(shù)的大型工業(yè)企業(yè)將使用數(shù)字孿生，從而使這些企業(yè)的效率提高10%；到2024年，將有超過25%的全新數(shù)字孿生將作為新loT原生業(yè)務(wù)應(yīng)用的綁定功能被采用。
數(shù)字孿生承載人類野心？
人類工業(yè)發(fā)展史就是實物制造的歷史。過去的愛迪生試錯法根據(jù)設(shè)計藍圖和生產(chǎn)工藝造出實物產(chǎn)品，反復(fù)實驗、測試，來滿足產(chǎn)品的功能和性能的要求。然而，計算機和軟件的出現(xiàn)改變了這一切。
1980年，達索系統(tǒng)三維交互設(shè)計軟件CATIA之父弗朗西斯·伯納德（Francis Bernard）開創(chuàng)了曲面設(shè)計簡單實體設(shè)計，通過操作光筆在計算機屏幕上用三維曲面和簡單的實體表現(xiàn)形式，遠超過去的表達形式，奠定了世界工業(yè)設(shè)計從二維到三維建模的轉(zhuǎn)變。
隨后，達索飛機公司使用簡單的三維建模技術(shù)生產(chǎn)了飛機零件部件組件。1986-1990年間波音公司使用三維建模技術(shù)進行飛機裝配驗證，并形成大量初步規(guī)范來指導(dǎo)三維設(shè)計的使用。隨著計算機性能的提高、集成電路的小型化、計算速度的提高， UNIX工作站出現(xiàn)，三維設(shè)計成本大幅降低。
數(shù)字化設(shè)計技術(shù)從早期的二維設(shè)計發(fā)展到三維建模，從三維線框造型進化到三維實體造型、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）。
而隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，人們在用數(shù)字孿生技術(shù)重建一個物件、一個系統(tǒng)、一個城市，甚至一個世界的同時，數(shù)字孿生也“充分”地暴露著人類的野心。
回顧過去20-30年制造業(yè)數(shù)字化的進程，數(shù)字孿生從過去飛機、汽車、船舶等高端復(fù)雜的制造業(yè)，制造這些產(chǎn)品的工業(yè)裝備行業(yè)，發(fā)展到高科技電子行業(yè)的電子產(chǎn)品，日常生活消費行業(yè)的時裝鞋帽、化妝品、家居家具、食品飲料消費產(chǎn)品。在基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)中，數(shù)字孿生的應(yīng)用也日益增加，包括鐵路、公路、核電站、水電站、火電站、城市建筑乃至整個城市，以及礦山開采。
而今年年初，達索系統(tǒng)更是提出了數(shù)字化革命從原來物質(zhì)世界中沒有生命的“thing”擴展到有生命的“life”。從造物角度來講，人體比機械要復(fù)雜太多。人體有37萬億個細胞，每一個細胞生命周期里又有4200萬的蛋白質(zhì)。人體數(shù)字化，即基于人體相關(guān)的多學(xué)科、多專業(yè)知識的系統(tǒng)化研究，并將這些知識全部注入人體的數(shù)字孿生體中。這有利于降低各種手術(shù)風險，提高成功率，改進藥物研發(fā)，提高藥物的效用。
數(shù)字孿生作為一種技術(shù)，終于從原子、器件應(yīng)用擴展到細胞、心臟、人體，甚至于未來整個地球和宇宙都可以在虛擬賽博空間重建數(shù)字孿生世界。
當然，在數(shù)字孿生世界全面到來以前，人類首先要正確理解、正確應(yīng)用數(shù)字孿生。數(shù)字孿生帶來了工具革命、決策革命、組織革命，給人類社會改造自然創(chuàng)造了新的方法論，從一百多年前愛迪生的實驗驗證，演進到今天的模擬擇優(yōu)，這僅僅是一個開始，而任何方法論的實現(xiàn)，都離不開與之相適配的世界觀。
