復制一個虛擬化的自己：數(shù)字孿生將如何影響我們的生活？

從2016年起，Gartner已經連續(xù)四年將“數(shù)字孿生”（Digital Twin）列為當年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢，數(shù)字孿生成為在IoT、智能制造大潮中非常流行的詞匯。但是人們一直認為“數(shù)字孿生”仍處于概念階段，直到今年百度指數(shù)一度破萬，A股相關概念股全線飄紅，“數(shù)字孿生”才在國內進入了“實紅”階段。

今年初，波音737 MAX在不到五個月內發(fā)生了兩起嚴重的墜機空難，將人們的關注度集中到了如何讓飛機在制造、維修和飛行過程中更加安全可控。除了常規(guī)的檢修，還有一個被熱議的技術方案，那就是“數(shù)字孿生”（Digital Twin）。

作為十大戰(zhàn)略科技趨勢，數(shù)字孿生被Gartner定義為以數(shù)字化方式再現(xiàn)真實的實體或系統(tǒng)。

比如，一架飛機從設計、生產階段開始，就構造一個數(shù)字模型；在飛機投入使用后，這個數(shù)字模型也會模擬記錄飛機的損耗情況，反映飛機的整個生命周期。

由于數(shù)字孿生在物理世界和數(shù)字世界之間建立起全面、實時、精準的連接，因此這個技術可以為工業(yè)制造、未來生活帶來無限的可能。據(jù)Gartner預測，到2020年，互聯(lián)傳感器與端點將多達超過200億，數(shù)字孿生將服務于數(shù)十億個物件。

今天我們就來聊聊，擁有如此技術前景的“數(shù)字孿生”到底是什么？可以應用在哪些場景中？

什么是數(shù)字孿生？

最早定義“數(shù)字孿生”的是美國密歇根大學的Michael Grieves教授在2003年提出“與物理產品等價的虛擬數(shù)字化表達”。他提議將數(shù)字孿生與工程設計進行對比，來更好的理解產品的生產與設計，在設計與執(zhí)行之間形成緊密的閉環(huán)。

知名咨詢公司德勤（Deloitte）在2017年發(fā)布的“工業(yè)4.0與數(shù)字孿生”中，對數(shù)字孿生的架構進行了清晰的描述。德勤認為通過數(shù)字孿生企業(yè)可以實現(xiàn)產品快速面市、改善運營、創(chuàng)新的業(yè)務模式以及降低生產缺陷。

數(shù)字孿生，顧名思義，就是數(shù)字形式的雙胞胎。在“數(shù)字孿生”中，一個是存在于現(xiàn)實世界的實體，另一個只存在虛擬和數(shù)字世界之中，是利用數(shù)字技術營造的與現(xiàn)實世界對稱的鏡像。

值得注意的是，數(shù)字孿生不僅僅是對現(xiàn)實實體的虛擬再現(xiàn)，還可以模擬對象在現(xiàn)實環(huán)境中的行為特征，例如：

過去，在沒有數(shù)字孿生幫助之下，制造一件產品要經歷很多次迭代設計。

現(xiàn)在，采用了數(shù)字孿生技術，就可以在虛擬的三維數(shù)字空間輕松地修改部件和產品的每一處尺寸和裝配關系。這使得幾何結構的驗證工作和裝配可行性的驗證工作大為簡化，大幅度減少了迭代過程中物理樣機的制造次數(shù)、時間以及成本。

從這個角度看，數(shù)字孿生能夠加速人們對于物理實體的了解，甚至通過模擬各種可能性，實現(xiàn)對未來趨勢的預測，提供更全面的決策支持。

數(shù)字孿生的應用場景

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，數(shù)字孿生是一個很自然的概念。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)首先要把設備連接，然后把設備以數(shù)字的方式來描述出來，配對出專業(yè)設備的虛擬映射，以更好的了解和掌握實體，這正是通過數(shù)字孿生的方式去實現(xiàn)。

但有人認為，數(shù)字孿生只存在于工業(yè)領域，這顯然是一種錯誤認知。數(shù)字孿生并不局限于特定的行業(yè)或者領域，而是貫穿整個物聯(lián)網(wǎng)的基礎邏輯。

借助數(shù)字孿生，可以集成復雜的制造工藝，實現(xiàn)產品設計，制造和智能服務等閉環(huán)優(yōu)化，它實際上貫穿了產品生命周期中的不同階段。

2014年以后，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術、人工智能和虛擬現(xiàn)實技術的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生逐步擴展到了包括制造和服務在內的完整的產品周期階段，并不斷豐富著數(shù)字孿生的形態(tài)和概念。

設計階段的數(shù)字孿生

在產品的設計階段，利用數(shù)字孿生可以提高設計的準確性，并驗證產品在真實環(huán)境中的性能。

例如，在汽車設計過程中，由于對節(jié)能減排的要求，數(shù)字孿生技術幫助包括寶馬、特斯拉、豐田在內的汽車公司利用其CAD和CAE平臺3D Experience，準確進行空氣動力學、流體聲學等方面的分析和仿真，在外形設計通過數(shù)據(jù)分析和仿真，大幅度地提升流線性，減少了空氣阻力。

意大利豪車品牌瑪莎拉蒂生產的全新一代的Ghibli跑車，通過數(shù)字孿生的理念，對軟件里的數(shù)字化模型進行設計和測試，縮短了30%的新款車型設計開發(fā)時間，將跑車上市的時間縮短了16個月，同時Ghibli跑車的產量提升了3倍，卻又保持了不變的品質。

制造階段的數(shù)字孿生

產品制造階段的數(shù)字孿生是一個高度協(xié)同的過程，通過數(shù)字化手段構建起來的虛擬生產線，將產品本身的數(shù)字孿生，同生產設備、生產過程等其他形態(tài)的數(shù)字孿生高度集成起來，可以加快產品導入的時間，提高產品設計的質量、降低產品的生產成本和提高產品的交付速度，實現(xiàn)穩(wěn)定并不斷優(yōu)化的生產過程。

服務階段的數(shù)字孿生

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的成熟和傳感器成本的下降，很多工業(yè)產品，從大型裝備到消費級產品，都使用了大量的傳感器來采集產品運行階段的環(huán)境和工作狀態(tài)，并通過數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化來避免產品的故障，改善用戶對產品的使用體驗。

這個階段的數(shù)字孿生，可以實現(xiàn)如：遠程監(jiān)控和預測性維修、優(yōu)化客戶的生產指標、產品使用反饋等功能。

比如，在售后服務中，數(shù)字孿生可以很方便為售后服務工程師提供服務，在AR里直接為現(xiàn)場服務的工程師提供服務的指導和幫助。

目前，除了在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，數(shù)字孿生在航空航天、油氣探測、智能物流多領域已有應用。

在航空航天領域，美國國防部最早提出利用Digital Twin技術，用于航空航天飛數(shù)據(jù)流動與信息鏡像行器的健康維護與保障。首先在數(shù)字空間建立真實飛機的模型，并通過傳感器實現(xiàn)與飛機真實狀態(tài)完全同步，這樣每次飛行后，根據(jù)結構現(xiàn)有情況和過往載荷，及時分析評估是否需要維修，能否承受下次的任務載荷等。

在油氣探測領域，運用數(shù)字孿生理念，構建地下三維空間大數(shù)據(jù)平臺，不僅能精準評估地下油氣資源、地熱能資源及其儲量經濟性，還通過多學科一體化高效科學管理，大大提高了地下三維勘探精度。

在智能物流領域，數(shù)字孿生大屏、自動分揀機器人等快遞黑科技基本實現(xiàn)信息化智能化，基本實現(xiàn)24小時可以到達全國的很多地方。

數(shù)字孿生的未來

目前很多企業(yè)都在嘗試利用數(shù)字孿生促進產品全生命周期管理，越來越多的案例就發(fā)生在我們身邊。而我們尚處于變局的原點，數(shù)字孿生未來的發(fā)展空間巨大，至少在這些場景為人們留下了想象空間。

遠程操控

通過數(shù)字模型，我們將可以實現(xiàn)設備的遠程操控。在未來，遠程輔助、遠程操作、遠程緊急命令都將成為日常管理的常用匯詞。

智慧城市管理

未來，無人機群將為城市提供基于圖像掃描的城市數(shù)字模型，街道、社區(qū)、娛樂、商業(yè)等各功能模塊都將擁有數(shù)字模型。

隨著城市數(shù)字模型的擴充與發(fā)展，數(shù)字孿生技術將覆蓋城市的每條電力線、變電站、污水系統(tǒng)、供水和排水系統(tǒng)、城市應急系統(tǒng)、Wi-Fi網(wǎng)絡，高速公路，交通控制系統(tǒng)等所有看見或看不見的地方，而城市管理將更加輕松可控。

推動現(xiàn)實世界探索

在未來，無人機、自動駕駛汽車、傳感器將取代當前網(wǎng)絡爬蟲的工作，搜索技術將變得更加復雜，我們將能夠搜索氣味、味道、振動、紋理、比重、反射、氣壓等物理世界的屬性。隨著時間的推移，新的搜索引擎將能夠在數(shù)字世界和現(xiàn)實世界中找到幾乎所有的東西。

健康監(jiān)測與管理

未來，我們每個人都將擁有自己的數(shù)字孿生體。通過各種新型醫(yī)療檢測和掃描儀器以及可穿戴設備，我們可以完美地復制出一個數(shù)字化身體，并可以追蹤這個數(shù)字化身體每一部分的運動與變化，從而更好地進行健康監(jiān)測和管理。

大腦活動的監(jiān)控與管理

人腦是大自然中最復雜的產品之一，很多國家的科研人員正在試圖用數(shù)字化技術找出人類大腦的思考方式。

例如，美國惠普公司正在與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院合作開展Blue Brain項目，旨在建立哺乳動物大腦的數(shù)字模型，以期發(fā)現(xiàn)大腦的工作原理，利用大量的計算方法來模擬大腦的運動、感知和管理等功能，從而協(xié)助腦部疾病的診斷與治療。

總體而言，目前我們依然處于這項技術很早期的階段。

數(shù)字孿生高度依賴傳感器所采集的數(shù)據(jù)和信息，在當下的技術水平看來，對設備進行精確的全域感知依然有難度。物理實體的數(shù)據(jù)不夠詳盡，因此數(shù)字副本也會有所缺失，這就會導致數(shù)字副本得出的預測和判斷有誤差。

除此之外，軟件上還需要更加先進的算法，硬件上需要運算能力更強大的處理架構，以及更精密耐用的各類傳感器。

數(shù)字孿生技術未來可期，但距離實現(xiàn)目標，依然遙遠。

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來源：科技云報道

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