相信很多人都聽說過“數(shù)字孿生”。在過去幾年，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，備受行業(yè)內(nèi)外的關(guān)注。
那么，究竟什么是數(shù)字孿生？它會(huì)給我們的生活帶來什么樣的改變？
數(shù)字孿生概念
數(shù)字孿生（Digital Twin），也稱為數(shù)字映射、數(shù)字鏡像，指的是在信息化平臺(tái)內(nèi)模擬物理實(shí)體、流程或者系統(tǒng)，類似實(shí)體系統(tǒng)在信息化平臺(tái)中的雙胞胎。借助數(shù)字孿生，可以在信息化平臺(tái)上了解物理實(shí)體的狀態(tài)，甚至可以對(duì)物理實(shí)體里面預(yù)定義的接口組件進(jìn)行控制，從而幫助組織監(jiān)控運(yùn)營、執(zhí)行預(yù)測性維護(hù)和改進(jìn)流程。
數(shù)字孿生具有四個(gè)典型的技術(shù)特征：
虛實(shí)映射。數(shù)字孿生技術(shù)要求在數(shù)字空間構(gòu)建物理對(duì)象的數(shù)字化表示，現(xiàn)實(shí)世界中的物理對(duì)象和數(shù)字空間中的孿生體能夠?qū)崿F(xiàn)雙向映射、數(shù)據(jù)連接和狀態(tài)交互；
實(shí)時(shí)同步。基于實(shí)時(shí)傳感等多元數(shù)據(jù)的獲取，孿生體可全面、精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)反映物理對(duì)象的狀態(tài)變化，包括外觀、性能、位置、異常等；
共生演進(jìn)。在理想狀態(tài)下，數(shù)字孿生所實(shí)現(xiàn)的映射和同步狀態(tài)應(yīng)覆蓋孿生對(duì)象從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)營到報(bào)廢的全生命周期，孿生體應(yīng)隨孿生對(duì)象生命周期進(jìn)程而不斷演進(jìn)更新；
閉環(huán)優(yōu)化。建立孿生體的最終目的，是通過描述物理實(shí)體內(nèi)在機(jī)理，分析規(guī)律、洞察趨勢，基于分析與仿真對(duì)物理世界形成優(yōu)化指令或策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體決策優(yōu)化功能的閉環(huán)。
雖然數(shù)字孿生可以代表純粹的數(shù)字事物，但它們最常充當(dāng)現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字虛擬世界溝通的橋梁。例如，數(shù)字孿生可以提供工廠運(yùn)營、通信網(wǎng)絡(luò)或通過物流系統(tǒng)的包裹流的數(shù)字視圖。
Gartner表示，“數(shù)字孿生的實(shí)施是一個(gè)封裝的軟件對(duì)象或模型，它反映了一個(gè)獨(dú)特的物理對(duì)象、過程、組織、人或其他抽象事物。來自多個(gè)數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)可以聚合起來，形成跨多個(gè)現(xiàn)實(shí)世界實(shí)體（如發(fā)電廠或城市）及其相關(guān)流程的復(fù)合視圖。”
數(shù)字孿生的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)
優(yōu)勢
這些物理操作的虛擬“克隆體”可以幫助組織監(jiān)控操作、執(zhí)行預(yù)測性維護(hù)并為資本購買決策提供洞察力。它們還可以幫助組織模擬那些過于耗時(shí)或昂貴，而無法使用實(shí)物資產(chǎn)進(jìn)行測試的場景，創(chuàng)建長期業(yè)務(wù)計(jì)劃，識(shí)別新發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)流程。
根據(jù)數(shù)字產(chǎn)品工程公司GlobalLogic的說法，數(shù)字孿生提供了五個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢：
加快風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和生產(chǎn)時(shí)間。數(shù)字孿生可以幫助公司在產(chǎn)品問世之前對(duì)其進(jìn)行虛擬測試和驗(yàn)證。工程師可以使用它們來識(shí)別流程故障；
預(yù)測性維護(hù)。組織可以使用數(shù)字孿生主動(dòng)監(jiān)控設(shè)備和系統(tǒng)，以便在它們發(fā)生故障之前安排維護(hù)，從而提高生產(chǎn)效率；
實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。用戶可以遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制系統(tǒng)；
更好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作。GlobalLogic指出，流程自動(dòng)化和對(duì)系統(tǒng)信息的24×7全天候訪問讓技術(shù)人員可以將更多時(shí)間集中在協(xié)作上；
更好的財(cái)務(wù)決策。通過集成財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)，組織可以使用數(shù)字孿生做出更好、更快的調(diào)整決策。
挑戰(zhàn)
數(shù)字孿生作為一項(xiàng)新興技術(shù)理念，尚處于發(fā)展初期，仍存在許多短板問題亟待破解。
實(shí)施成本高。數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)現(xiàn)涉及到企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、供應(yīng)鏈、管理等系統(tǒng)的改造，投資大、沉沒成本高。受限于此，目前數(shù)字孿生往往僅能成為大企業(yè)“錦上添花”的高端技術(shù)應(yīng)用，而難以成為廣大小企業(yè)“雪中送炭”的普適技術(shù)應(yīng)用。
產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱。數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)鏈長、分工細(xì)致、碎片化程度高，跨領(lǐng)域之間的技術(shù)融合性較差、資源整合難，存在IT企業(yè)不懂行業(yè)機(jī)理、OT企業(yè)難以報(bào)團(tuán)的突出痛點(diǎn)，亟需產(chǎn)業(yè)整合者的出現(xiàn)。
商業(yè)模式不成熟。不同垂直行業(yè)對(duì)數(shù)字孿生的需求差異大，垂直行業(yè)內(nèi)需求“長尾效應(yīng)”顯著，解決方案的可復(fù)制性不強(qiáng)，導(dǎo)致數(shù)字孿生應(yīng)用多以項(xiàng)目交付型為主，平臺(tái)化、模塊化程度較低，不利于高效推廣。
技術(shù)短板凸顯。在機(jī)理建模、仿真分析、數(shù)據(jù)集成等方面的技術(shù)短板制約了數(shù)字孿生技術(shù)整體的應(yīng)用深度，同時(shí)部分核心技術(shù)被國外龍頭企業(yè)壟斷，“安可”有潛在風(fēng)險(xiǎn)。
數(shù)字孿生技術(shù)
根據(jù)系統(tǒng)集成商SL Controls的說法，數(shù)字孿生由三個(gè)主要元素組成：
歷史數(shù)據(jù)：有關(guān)機(jī)器、流程和系統(tǒng)過去性能的數(shù)據(jù)；
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)：數(shù)字孿生接收來自設(shè)備傳感器的持續(xù)更新以及來自平臺(tái)和系統(tǒng)（如制造設(shè)備、客戶服務(wù)和采購）的輸出；
未來數(shù)據(jù)：這包括機(jī)器學(xué)習(xí)和工程師的輸入。
IBM指出，根據(jù)數(shù)字孿生技術(shù)不同應(yīng)用的對(duì)象，衍生出了各種類型的數(shù)字孿生形式。這些孿生項(xiàng)目之間最大的區(qū)別在于應(yīng)用領(lǐng)域：
組件孿生/零件孿生。這些是數(shù)字孿生的基本單元。在這里，孿生代表組件或零件的物理、機(jī)械和/或電氣特性；
資產(chǎn)孿生。資產(chǎn)是兩個(gè)或多個(gè)一起運(yùn)行的組件，資產(chǎn)孿生代表了組件之間的交互，以創(chuàng)建性能數(shù)據(jù)，繼而轉(zhuǎn)化為可操作的見解；
系統(tǒng)或單元孿生。這一級(jí)會(huì)放大涉及的系統(tǒng)或單元雙胞胎，讓使用者能夠看到不同的資產(chǎn)如何結(jié)合在一起形成一個(gè)完整的功能系統(tǒng)。系統(tǒng)孿生可以提供有關(guān)資產(chǎn)交互的可見性，并可以提供建議，使這種性能增強(qiáng)；
進(jìn)程孿生。這些孿生揭示了系統(tǒng)如何協(xié)同工作以創(chuàng)建整個(gè)生產(chǎn)設(shè)施。比如這些系統(tǒng)是否可以同步以最高效率運(yùn)行？或者一個(gè)系統(tǒng)的延遲是否會(huì)影響其他系統(tǒng)？這個(gè)進(jìn)程孿生可以幫助生產(chǎn)者更精準(zhǔn)的判斷，最終產(chǎn)出一個(gè)可以影響整體效率的精確計(jì)時(shí)方案。
數(shù)字孿生VS數(shù)字模擬
數(shù)字模擬和數(shù)字孿生都是利用數(shù)字模型來復(fù)制出一個(gè)系統(tǒng)，但數(shù)字孿生實(shí)際上創(chuàng)造的是一整個(gè)虛擬環(huán)境，這就使得數(shù)字孿生擁有更多操作的可能性。
此外，與數(shù)字模擬不同，數(shù)字孿生最大的區(qū)別在于：它是對(duì)實(shí)體對(duì)象（下稱“本體”）的動(dòng)態(tài)仿真，也就是說，數(shù)字孿生體是會(huì)“動(dòng)”的。而且，數(shù)字孿生體是根據(jù)本體的物理設(shè)計(jì)模型、本體上面?zhèn)鞲衅鞣答伒臄?shù)據(jù)，以及本體運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)而“動(dòng)”的。簡單來說，它是實(shí)時(shí)更新的。
系統(tǒng)集成商SL Controls表示，數(shù)字模擬允許工程師對(duì)實(shí)物資產(chǎn)進(jìn)行測試和評(píng)估，但模擬是靜態(tài)的。輸入新參數(shù)取決于工程師。數(shù)字孿生則是從物理資產(chǎn)、流程或系統(tǒng)接收實(shí)時(shí)更新，允許工程師使用真實(shí)條件執(zhí)行測試、評(píng)估和分析工作。
數(shù)字孿生實(shí)踐
目前，已經(jīng)有許多組織在使用數(shù)字孿生技術(shù)來改善他們的業(yè)務(wù)：
勞斯萊斯（Rolls-Royce）提高噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)效率：跨國航空航天和國防公司勞斯萊斯已部署數(shù)字孿生技術(shù)來監(jiān)控其生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)。該公司可以監(jiān)控每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行方式、飛行條件以及飛行員的使用方式。勞斯萊斯還使用數(shù)字孿生提供針對(duì)特定發(fā)動(dòng)機(jī)量身定制的服務(wù)計(jì)劃。
瑪氏（Mars）優(yōu)化其供應(yīng)鏈：糖果、寵物護(hù)理和食品公司瑪氏正通過字孿生技術(shù)，優(yōu)化其制造供應(yīng)鏈，提高產(chǎn)能和流程控制，包括通過預(yù)測性維護(hù)來延長機(jī)器的正常運(yùn)行時(shí)間，并減少與機(jī)器包裝不一致的產(chǎn)品數(shù)量相關(guān)的浪費(fèi)。
TIAA降低了客戶服務(wù)的復(fù)雜性：美國大學(xué)退休股票基金教師保險(xiǎn)和年金協(xié)會(huì)（TIAA）正在使用數(shù)字孿生來降低客戶服務(wù)的復(fù)雜性。TIAA的孿生項(xiàng)目使用產(chǎn)品元數(shù)據(jù)、運(yùn)營流程、重疊的相互依賴關(guān)系和業(yè)務(wù)規(guī)則，來驗(yàn)證計(jì)劃運(yùn)營商的服務(wù)計(jì)劃選擇。
拜耳作物科學(xué)（Bayer Crop Science）公司通過虛擬工廠重塑戰(zhàn)略：拜耳作物科學(xué)為其在北美的9個(gè)玉米種子生產(chǎn)基地都創(chuàng)建了“虛擬工廠”。虛擬工廠是9個(gè)站點(diǎn)中每個(gè)站點(diǎn)的設(shè)備、流程和產(chǎn)品流特征、材料清單和操作規(guī)則的動(dòng)態(tài)數(shù)字表示。除了提供實(shí)時(shí)的運(yùn)營視圖外，虛擬工廠還允許拜耳執(zhí)行“假設(shè)”分析，幫助公司分析新戰(zhàn)略、制定資本購買決策、制定長期業(yè)務(wù)計(jì)劃和改進(jìn)流程。
達(dá)索用數(shù)字孿生搭建“生命線”：達(dá)索進(jìn)行了一個(gè)“生命心臟項(xiàng)目”（LHP），通過生物技術(shù)傳感器和掃描技術(shù)為人類心臟建立數(shù)字孿生。數(shù)字孿生是具有電和肌肉特性的心臟的個(gè)性化全尺寸模型，可以模擬真實(shí)心臟的行為。它不僅可以支持各種操作，例如貼緊心臟起搏器，反轉(zhuǎn)腔室，切割任何橫截面以及運(yùn)行假設(shè)，而且還可以對(duì)心臟進(jìn)行虛擬分析，以便在疾病開始之前為心臟病患者提供護(hù)理。
空中客車公司減少交貨時(shí)間：空客公司開發(fā)了應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的大型配件裝配系統(tǒng)，對(duì)裝配過程進(jìn)行自動(dòng)控制，以提高自動(dòng)化程度并減少交貨時(shí)間。在該裝配系統(tǒng)中創(chuàng)建的數(shù)字孿生模型不僅僅是相應(yīng)實(shí)際零部件的三維CAD模型，同時(shí)基于裝備的傳感器，也對(duì)各組件的行為模型進(jìn)行建模，包括組件的力學(xué)行為模型及形變行為模型。
數(shù)字孿生軟件
數(shù)字孿生軟件平臺(tái)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)來監(jiān)控資產(chǎn)性能和運(yùn)行模擬。一般來說，可擴(kuò)展的數(shù)字孿生平臺(tái)具有六個(gè)關(guān)鍵特性：
管理數(shù)字孿生生命周期。數(shù)字孿生是“數(shù)字線程”或“數(shù)字本體”的實(shí)例，即構(gòu)成物理資產(chǎn)的需求、部件和控制系統(tǒng)。例如，風(fēng)車的數(shù)字本體由工程圖、材料清單、軟件版本和其他用于創(chuàng)建風(fēng)車的工件組成。風(fēng)車數(shù)字孿生平臺(tái)需要利用該數(shù)字本體，并提供工具來測試、部署和管理基于數(shù)字本體的數(shù)字孿生。這些工具需要能夠擴(kuò)展到數(shù)百個(gè)數(shù)字本體和數(shù)千個(gè)數(shù)字孿生。
單一事實(shí)來源。平臺(tái)需要能夠更新并為每個(gè)數(shù)字孿生提供準(zhǔn)確的狀態(tài)。例如，日常維護(hù)可能會(huì)導(dǎo)致一項(xiàng)資產(chǎn)的部件或固件版本與另一項(xiàng)資產(chǎn)不同。平臺(tái)必須能夠在每個(gè)對(duì)象和資產(chǎn)發(fā)生變化時(shí)立即更新其準(zhǔn)確狀態(tài)。
開放API。作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案的接口和集成點(diǎn)，該平臺(tái)必須提供一個(gè)開放的API，允許任何系統(tǒng)與之交互。
可視化和分析。該平臺(tái)必須允許組織創(chuàng)建可視化、儀表板和對(duì)來自數(shù)字孿生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的深入分析。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)鏈接到數(shù)字本體。
事件和流程管理。平臺(tái)必須允許用戶創(chuàng)建可以基于平臺(tái)數(shù)據(jù)執(zhí)行的事件和業(yè)務(wù)流程。
客戶和用戶視角。該平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的利益相關(guān)者之間的協(xié)作。它應(yīng)該反映每個(gè)組織擁有或運(yùn)營情況，以及允許哪些用戶訪問數(shù)據(jù)。
數(shù)字孿生先驅(qū)
許多組織正在構(gòu)建自己的數(shù)字孿生項(xiàng)目，但也有一些廣受歡迎的平臺(tái)供應(yīng)商及產(chǎn)品，它們包括：
aPriori數(shù)字制造模擬軟件；
Autodesk數(shù)字孿生
Ayla物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)；
AWS物聯(lián)網(wǎng)；
Interfacing Technologies的企業(yè)流程中心（EPC）；
Oracle IoT生產(chǎn)監(jiān)控云；
GE Predix平臺(tái)；
SAP Leonardo物聯(lián)網(wǎng)；
數(shù)字孿生市場
從市場前景來看，數(shù)字孿生是熱度最高的數(shù)字化技術(shù)之一，存在巨大的發(fā)展空間。Gartner連續(xù)三年（2017-2019）將數(shù)字孿生列為“年度十大戰(zhàn)略性技術(shù)趨勢”，認(rèn)為它在未來將產(chǎn)生顛覆性創(chuàng)新。
研究公司MarketsandMarkets數(shù)據(jù)顯示，2020年全球數(shù)字孿生市場價(jià)值為31億美元，并預(yù)計(jì)數(shù)字孿生市場規(guī)模將由2020年的31億美元增長至2026年的482億美元，年復(fù)合增長率58%。它認(rèn)為數(shù)字孿生是第四次工業(yè)革命（或“工業(yè)4.0”）的關(guān)鍵組成部分。
MarketsandMarkets在其報(bào)告中表示，“在工業(yè)4.0時(shí)代，數(shù)字孿生被認(rèn)為將制造技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，有助于開發(fā)互聯(lián)制造系統(tǒng)。因此，數(shù)字孿生技術(shù)似乎是一種理想的解決方案，可以幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)。”
該公司認(rèn)為，汽車和運(yùn)輸、能源和電力、航空航天和國防垂直行業(yè)將是數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)鍵最終用戶。
此外，IDC也預(yù)測稱，2022年將有40%的IoT平臺(tái)供應(yīng)商通過集成仿真、系統(tǒng)、功能于一體用來創(chuàng)建數(shù)組孿生模型；而70%的制造商將利用數(shù)字孿生進(jìn)行流程仿真和數(shù)據(jù)評(píng)估。
可以肯定的是，在可預(yù)見的將來，隨著新一代信息技術(shù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合進(jìn)程的加快，企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求的提升，政策的持續(xù)支持，數(shù)字孿生將為工業(yè)制造、未來生活帶來無限的可能。
參考及來源：https://www.cio.com/article/301522/what-is-a-digital-twin-a-real-time-virtual-representation.html參考來源：《數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用白皮書（2021）》
