NASA在2010年描述太空旅行工具的技術(shù)路線圖中引入了“數(shù)字孿生”這個(gè)術(shù)語(yǔ)。
十年后，“數(shù)字孿生”已經(jīng)成為一個(gè)關(guān)鍵工具。我們正在看到全球工業(yè)4.0的數(shù)字孿生的演變：從自動(dòng)化到自主化。
在第四次工業(yè)革命期間各國(guó)都談到了“數(shù)字轉(zhuǎn)型”，但“數(shù)字化”在第三次工業(yè)革命時(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)了。數(shù)據(jù)包括基于規(guī)則的計(jì)算形式，以適應(yīng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)并能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。而如今的數(shù)字化，增加了學(xué)習(xí)、適應(yīng)和發(fā)展洞察力，讓數(shù)字應(yīng)用能夠感知、分析、行動(dòng)和優(yōu)化。“數(shù)字孿生技術(shù)”是這一發(fā)展的一個(gè)重要因素。
什么是數(shù)字孿生？讓我們從NASA最初的定義開(kāi)始，這個(gè)定義在今天仍然非常準(zhǔn)確：
“一種使用最好的物理模型對(duì)物體或系統(tǒng)進(jìn)行超逼真的數(shù)字模擬?？紤]連續(xù)更新的傳感器和完整的歷史數(shù)據(jù)，以對(duì)應(yīng)和反映真實(shí)世界的孿生生活。數(shù)字孿生通過(guò)數(shù)字運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生模擬使用概況，從而幫助真實(shí)世界運(yùn)營(yíng)減輕損害或退化，并提高任務(wù)的成功概率。”
數(shù)字孿生這個(gè)簡(jiǎn)單的名字聽(tīng)起來(lái)是平淡無(wú)奇，但如果你看到受益于數(shù)字孿生技術(shù)的各種用途的行業(yè)的廣度和數(shù)量，你就會(huì)大吃一驚（近期火熱的元宇宙，在酷炫的名字下，其本質(zhì)也算是數(shù)字孿生的一種）：
●航空航天和國(guó)防
●農(nóng)業(yè)
●建筑
●礦業(yè)
●汽車和運(yùn)輸
●電子產(chǎn)品
●機(jī)器/設(shè)備制造
●能源和公用事業(yè)
●金融服務(wù)
●醫(yī)療保健和生命科學(xué)
●政府
●零售
●消費(fèi)品
這份清單內(nèi)容廣泛，幾乎涵蓋了所有行業(yè)。在這些行業(yè)中，數(shù)字孿生技術(shù)被用在眾多領(lǐng)域，包含這些方面：
●生命周期文檔
●3D表達(dá)
●建模
●模擬
●數(shù)據(jù)建模
●模型同步
●可視化
●監(jiān)控
●連接分析
●控制
當(dāng)人們考慮到數(shù)字孿生技術(shù)可以在數(shù)量驚人的地方使用的驚人方式時(shí)，數(shù)字孿生技術(shù)的力量就變得無(wú)可限量了。
工業(yè)4.0核心之一是從自動(dòng)化向自主發(fā)展，這個(gè)過(guò)程中，數(shù)字孿生力量必不可少。實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生，同樣重要的是：人工智能和專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)。
例如就自動(dòng)駕駛汽車(以及卡車、船舶、工業(yè)機(jī)器人等)而言，現(xiàn)實(shí)世界是訓(xùn)練人工智能的危險(xiǎn)之地。為了安全和有效性，訓(xùn)練人工智能的地方是在一個(gè)由數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)的虛擬世界。
英偉達(dá)(Nvidia)最近宣布了一個(gè)開(kāi)源的、基于云計(jì)算的自動(dòng)駕駛汽車虛擬試驗(yàn)場(chǎng)。開(kāi)源技術(shù)將允許企業(yè)將成千上萬(wàn)的虛擬車輛置于數(shù)百萬(wàn)個(gè)場(chǎng)景中訓(xùn)練人工智能。它不在現(xiàn)實(shí)生活中存在，也不會(huì)導(dǎo)致死亡事故。
成功的工業(yè)公司和他們的智能硬件/軟件合作伙伴已經(jīng)了解在各種環(huán)境和條件下什么是有效的。結(jié)合正確的數(shù)字孿生技術(shù)，越來(lái)越智能和更有信心的人工智能以及深入的領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)加速了向自主的進(jìn)化。
工業(yè)自治不是非黑即白、是或否的二元對(duì)立。進(jìn)化之旅有五個(gè)步驟：
●人工
●人工/機(jī)器支持
●機(jī)器/人力支持
●機(jī)器/人類統(tǒng)治
●機(jī)器控制
當(dāng)一個(gè)行業(yè)或一臺(tái)機(jī)器向第5步邁進(jìn)時(shí)，所需的人類數(shù)量就會(huì)減少。
有專家提出自治很快就會(huì)發(fā)展成摩爾定律式的“自治商”(AQ-Autonomy Quotient)。它將決定需要多少控制人員來(lái)確保自動(dòng)機(jī)器和流程的安全性和有效性。例如，一個(gè)人可以監(jiān)督10輛自動(dòng)駕駛汽車，或者一個(gè)人監(jiān)督100個(gè)自動(dòng)過(guò)程。AQ越高，自主權(quán)越大。
數(shù)字孿生的終極價(jià)值
前文提到NASA對(duì)數(shù)字孿生的原始定義。還有一個(gè)定義聽(tīng)起來(lái)更簡(jiǎn)單：有形資產(chǎn)的數(shù)字反映。直到人們意識(shí)到世界上每個(gè)工廠的每件工業(yè)產(chǎn)品都有自己的數(shù)字孿生品。每一個(gè)數(shù)字孿生體都具有對(duì)每個(gè)對(duì)象的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、操作、維護(hù)等多個(gè)狀態(tài)。數(shù)字孿生還涉及各個(gè)行業(yè)的大量任務(wù)。
據(jù)估計(jì)，目前全球產(chǎn)業(yè)中有75億潛在的數(shù)字孿生。我們發(fā)現(xiàn)，最大的價(jià)值是讓所有數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)以開(kāi)放、獨(dú)立且跨所有流程可交互操作。
數(shù)字孿生技術(shù)的要點(diǎn)是保持所有功能完全數(shù)字化
這種操作在公司的所有工業(yè)流程的生命周期中是完全可協(xié)作的，且不損失任何數(shù)據(jù)、分析或時(shí)間。數(shù)字孿生在不同的階段提供不同的功能。核心要求是能夠?qū)崿F(xiàn)從一個(gè)階段到另一個(gè)階段的交接——或者從一個(gè)公司到另一個(gè)公司。數(shù)字化孤島不足以實(shí)現(xiàn)自治。數(shù)字孿生技術(shù)是必要的聯(lián)接組織。
ABB通過(guò)在每個(gè)階段使用數(shù)字孿生技術(shù)，將建設(shè)一個(gè)電力變電站所需的時(shí)間縮短了近一半。每個(gè)流程的周期減少意味著在計(jì)劃、設(shè)計(jì)和構(gòu)建部署時(shí)數(shù)字孿生都在發(fā)揮作用。
數(shù)字時(shí)代之前，建一個(gè)變電站花了18個(gè)月，但其中只有4個(gè)月用于建設(shè)。另外14個(gè)月則是在公用事業(yè)公司、工程公司和設(shè)備供養(yǎng)商之間來(lái)回的交流中消耗的。每一方都將他們內(nèi)容數(shù)字化，然后另一方將其打印出來(lái)，編輯，重新數(shù)字化，發(fā)送給其他人，以此類推。規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建造的數(shù)字孿生讓我們可以將14個(gè)月的規(guī)劃時(shí)間減少到7個(gè)月。顯而易見(jiàn)還實(shí)現(xiàn)了成本上近60%節(jié)約，用11個(gè)月而不是18個(gè)月建成了變電站。一旦變電站上線，操作和維護(hù)工作就會(huì)變得更容易，因?yàn)閰f(xié)作數(shù)字孿生被構(gòu)建到所有變電站功能中。
數(shù)字孿生使全球合作技術(shù)平臺(tái)成為可能
數(shù)字孿生的終極價(jià)值在于能夠創(chuàng)建一個(gè)協(xié)作的全球技術(shù)平臺(tái)，而不僅僅是一家公司。這項(xiàng)技術(shù)將應(yīng)用于所有的公司——具有數(shù)字化存儲(chǔ)功能。數(shù)字孿生技術(shù)幫助任何發(fā)布和共享每一個(gè)工業(yè)對(duì)象的每一個(gè)功能，并充滿其整個(gè)生命周期。將其與高自信(即安全、公平和道德)的人工智能和深入的領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)相結(jié)合，你就會(huì)得到數(shù)字化轉(zhuǎn)型、自主的工業(yè)4.0世界。
這是新一代機(jī)器人的必要條件，它可以到達(dá)人類難以到達(dá)的地方。例如:
一個(gè)“數(shù)據(jù)中心治安官”在云服務(wù)服務(wù)器群的沒(méi)完沒(méi)了的機(jī)架中漫游，尋找并更換故障的服務(wù)器。
“機(jī)動(dòng)履帶式”機(jī)器人在一個(gè)對(duì)人類來(lái)說(shuō)太擁擠和危險(xiǎn)的空間里修理和維護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)。
一架“工程無(wú)人機(jī)”可以在有問(wèn)題的地方降落，進(jìn)行設(shè)備監(jiān)測(cè)和維修。
以上都需要在控制它們的“大腦”中對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行數(shù)字孿生。
所有這些聽(tīng)起來(lái)都是機(jī)械的，但這與人有很大關(guān)系。數(shù)字孿生自主將使人在流程中更有價(jià)值。
回顧1910年，控制室里的人必須盯著幾個(gè)刻度盤。到了20世紀(jì)90年代，人們開(kāi)始監(jiān)視并試圖控制數(shù)百人。今天，有成千上萬(wàn)的設(shè)備“報(bào)告”到一個(gè)工業(yè)控制室，而人依然是最重要的，只是需要人越來(lái)越少?？萍夹袠I(yè)的人們普遍面臨著無(wú)法緩解的壓力。對(duì)于石油天然氣、公用事業(yè)、運(yùn)輸和采礦等控制室行業(yè)的人來(lái)說(shuō)，提前退休也許是唯一的選擇。
隨著汽車、機(jī)器和流程的AQ不斷上升，人們將被實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)完全超載。隨著工業(yè)4.0從自動(dòng)化發(fā)展到自主化，很大一部分支持將來(lái)自數(shù)字孿生——由人工智能和領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)增強(qiáng)。
數(shù)字孿生將成為工作場(chǎng)所的一個(gè)組成部分，服務(wù)于人并與人共存。
人類仍然是無(wú)價(jià)的，同時(shí)他們也需要全力支持來(lái)自自動(dòng)化工業(yè)世界的數(shù)字代表并與之共同高效完成工作。
