相信很多人都聽(tīng)說(shuō)過(guò)數(shù)字孿生。在過(guò)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。去年國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)“上云用數(shù)賦智”行動(dòng)培育新經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)施方案》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《方案》），其中“數(shù)字孿生”技術(shù)在《方案》中被提及多次。
什么是數(shù)字孿生？它會(huì)給我們的生活帶來(lái)什么樣的改變？
數(shù)字孿生，英文名叫Digital Twin（數(shù)字雙胞胎），也被稱(chēng)為數(shù)字映射、數(shù)字鏡像。它的官方定義比較復(fù)雜：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(guò)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(guò)程。
其實(shí)簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)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(chēng)為“數(shù)字孿生體”。它被創(chuàng)建在信息化平臺(tái)上，是虛擬的。
早在2002年，“數(shù)字孿生（Digital Twin）”這一概念被美國(guó)Michael Grieves教授提出。12年后，他再次詳細(xì)地解釋了數(shù)字孿生概念，是指在信息空間構(gòu)建一個(gè)可以映射表征物理設(shè)備的虛擬系統(tǒng)，他們之間的聯(lián)系并不是單向和靜態(tài)的，而是在整個(gè)產(chǎn)品的生命周期中都聯(lián)系在一起。
數(shù)字孿生的應(yīng)用場(chǎng)景
1.工業(yè)制造
數(shù)字孿生起源于工業(yè)制造領(lǐng)域。在產(chǎn)品研發(fā)的過(guò)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(lái)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)。它給工業(yè)制造帶來(lái)了顯而易見(jiàn)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。
2.教學(xué)實(shí)訓(xùn)
一般學(xué)校現(xiàn)有的條件下許多實(shí)訓(xùn)任務(wù)開(kāi)展不了，如工業(yè)機(jī)器人示教編程，受價(jià)格和安全等因素，學(xué)校很少有更好的實(shí)踐機(jī)會(huì)給到學(xué)生。而利用數(shù)字孿生技術(shù)，通過(guò)將設(shè)備本體虛擬化可以有效地解決實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)訓(xùn)效果之間的矛盾。
通過(guò)虛實(shí)結(jié)合仿真技術(shù)，學(xué)習(xí)者便可以走進(jìn)這個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，身臨其境般的操作虛擬儀器，操作結(jié)果可以通過(guò)儀表顯示身體的感受反饋給學(xué)生，來(lái)判斷操作是否正確。這種實(shí)驗(yàn)既不消耗器材，也不受場(chǎng)地等外界條件限制，可重復(fù)操作，直至得出滿(mǎn)意結(jié)果。
（1）解決從行業(yè)需求到實(shí)訓(xùn)人才培養(yǎng)脫節(jié)問(wèn)題
通過(guò)數(shù)字孿生仿真技術(shù)，能夠?qū)⑿袠I(yè)的典型示范性工廠(chǎng)，半實(shí)物虛擬化，并結(jié)合虛實(shí)仿真技術(shù)，保留其原有的控制系統(tǒng)以及機(jī)電系統(tǒng)，將企業(yè)需求的控制，編程應(yīng)用人才與校內(nèi)實(shí)訓(xùn)課程結(jié)合，實(shí)際解決，學(xué)生實(shí)訓(xùn)過(guò)程中無(wú)示范性，應(yīng)用性等問(wèn)題。
（2）解決教學(xué)實(shí)訓(xùn)中“三高四難”問(wèn)題
數(shù)字孿生仿真技術(shù)特點(diǎn)是使用者可以進(jìn)行交互，因此，可以作為增強(qiáng)教學(xué)培訓(xùn)和演練效果的有效手段，解決智能制造實(shí)訓(xùn)應(yīng)用過(guò)程中的“三高”（高危險(xiǎn)、高成本、高污染）與“四難”（難看到、難動(dòng)作、難進(jìn)入、難再現(xiàn)）問(wèn)題。
（3）學(xué)科交叉與產(chǎn)業(yè)融合
通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)引入企業(yè)實(shí)際工作任務(wù)，設(shè)計(jì)教學(xué)和競(jìng)賽項(xiàng)目。實(shí)訓(xùn)內(nèi)容設(shè)計(jì)圍繞智能制造工業(yè)應(yīng)用情景和核心技能點(diǎn)，覆蓋了機(jī)器人、人工智能、通訊技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、自動(dòng)線(xiàn)等典型應(yīng)用。技能要點(diǎn)與行業(yè)用人、崗位需求、技術(shù)進(jìn)步以及教學(xué)建設(shè)相結(jié)合,系統(tǒng)裝調(diào)、現(xiàn)場(chǎng)工藝規(guī)范系統(tǒng)接線(xiàn)、工藝過(guò)程分析、系統(tǒng)編程等相互結(jié)合進(jìn)行安排，引導(dǎo)智能制造技術(shù)相關(guān)專(zhuān)業(yè)專(zhuān)項(xiàng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的設(shè)計(jì)與實(shí)施，系統(tǒng)化培養(yǎng)復(fù)合型技能型人才。
（4）減少設(shè)備投入成本，易維護(hù)，易保養(yǎng)
虛實(shí)結(jié)合智慧工廠(chǎng)能夠采用真實(shí)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，如PLC、機(jī)器人示教器、運(yùn)動(dòng)控制器等，采用虛擬控制對(duì)象，大大減小了設(shè)備所需要的投入成本及維護(hù)成本，且具有更為靈活的內(nèi)容資源庫(kù)，通過(guò)硬件模擬技術(shù)打通控制器與虛擬化的通信，即學(xué)生操作實(shí)訓(xùn)采用PLC編程控制，工業(yè)機(jī)器人示教編程應(yīng)用，MES調(diào)度以及數(shù)控設(shè)備的實(shí)操，通過(guò)虛擬裝備的3D展示，達(dá)到與真實(shí)的智慧工廠(chǎng)同樣的實(shí)訓(xùn)效果。
（IOA虛實(shí)孿生仿真平臺(tái)是一套綜合性的實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，該平臺(tái)通過(guò)采用數(shù)字化雙胞胎技術(shù)，將虛擬工廠(chǎng)的機(jī)電系統(tǒng)與真實(shí)的工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)打通，通過(guò)豐富的3D虛擬交互形式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智慧工廠(chǎng)電氣配線(xiàn)、編程、控制教學(xué)培訓(xùn)等目的。）
3.智慧城市
數(shù)字孿生和5G、智慧城市也有非常密切的關(guān)系。我們經(jīng)常能聽(tīng)到這樣一句“5G將開(kāi)啟“萬(wàn)物互聯(lián)”的時(shí)代”，5G的出現(xiàn)使得人類(lèi)的連接技術(shù)到了前所未有的高度。未來(lái)，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。
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(guò)傳感器、攝像頭、數(shù)字化子系統(tǒng)采集出來(lái)，并通過(guò)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(lái)的回報(bào)更大。
4.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。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(mǎn)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。
寄語(yǔ)
相信在不久的將來(lái)，數(shù)字孿生技術(shù)不僅可以孕育出極具潛力的市場(chǎng)藍(lán)海，同時(shí)也能對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)質(zhì)的飛躍，推動(dòng)現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)體系建設(shè)，助力構(gòu)建數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代發(fā)展的新格局。
