科技不僅是一個(gè)時(shí)代的標(biāo)簽，它所引導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)變革更是在雕刻這個(gè)時(shí)代。
數(shù)字時(shí)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(huì)數(shù)字化的進(jìn)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(huì)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(shì)之一。而全球著名IT研究機(jī)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(jī)，從產(chǎn)品到產(chǎn)線，從生產(chǎn)到服務(wù)，從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)，一個(gè)數(shù)字孿生世界正在被不斷構(gòu)筑。當(dāng)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(jì)算和邊緣計(jì)算的成熟和更廣泛的商業(yè)實(shí)踐積累，數(shù)字孿生也走到了一個(gè)新的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。
數(shù)字孿生將實(shí)體的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)移到虛擬空間，為實(shí)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(gè)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(jìn)
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(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”的概念：一個(gè)或一組特定裝置的數(shù)字復(fù)制品，能夠抽象表達(dá)真實(shí)裝置并可以此為基礎(chǔ)進(jìn)行真實(shí)條件或模擬條件下的測試。其概念源于對(duì)裝置的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行更清晰地表達(dá)的期望，希望能夠?qū)⑺械男畔⒎旁谝黄疬M(jìn)行更高層次的分析。
而將這種理念付諸實(shí)踐的則是早于理念提出的美國國家航天局（NASA）的阿波羅項(xiàng)目，在該項(xiàng)目中，NASA 需要制造兩個(gè)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(shí)下，許多業(yè)界主流公司都對(duì)數(shù)字孿生給出了自己的理解和定義，但實(shí)際上，人們對(duì)于數(shù)字孿生的認(rèn)識(shí)依然是一個(gè)不斷演進(jìn)的過程。
這從Gartner在過去三年對(duì)數(shù)字孿生的論述中，便可見一斑。2017年，Gartner對(duì)數(shù)字孿生的解釋是：實(shí)物或系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)軟件模型，在三到五年內(nèi)，數(shù)十億計(jì)的實(shí)物將通過數(shù)字孿生來表達(dá)。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(shí)間。
2018年，Gartner對(duì)數(shù)字孿生的解釋是：數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)世界實(shí)物或系統(tǒng)的數(shù)字化表達(dá)。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(shí)世界的對(duì)象，提供其狀態(tài)信息，響應(yīng)變化，改善運(yùn)營并增加價(jià)值。
2019年，Gartner對(duì)數(shù)字孿生的解釋變化為：數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)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(yùn)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(diǎn)認(rèn)為數(shù)字孿生是三維模型、是物理實(shí)體的復(fù)制，或是虛擬樣機(jī)。在數(shù)據(jù)維度上，一些認(rèn)識(shí)認(rèn)為數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的核心驅(qū)動(dòng)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(jià)值。
在連接維度上，一類觀點(diǎn)認(rèn)為數(shù)字孿生是物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)或工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，這些觀點(diǎn)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(duì)于服務(wù)來說，一類觀點(diǎn)認(rèn)為數(shù)字孿生是仿真，是虛擬驗(yàn)證，或是可視化。
盡管當(dāng)前對(duì)數(shù)字孿生存在多種不同認(rèn)識(shí)和理解，目前尚未形成統(tǒng)一共識(shí)的定義，但可以確定的是，物理實(shí)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(gè)設(shè)備或系統(tǒng)“物理實(shí)體”的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造一個(gè)數(shù)字版的“虛擬模型”。這個(gè)“虛擬模型”被創(chuàng)建在信息化平臺(tái)上提供服務(wù)。值得一提的是，與電腦的設(shè)計(jì)圖紙又不同，相比于設(shè)計(jì)圖紙，數(shù)字孿生體最大的特點(diǎn)在于，它是對(duì)實(shí)體對(duì)象的動(dòng)態(tài)仿真。也就是說，數(shù)字孿生體是會(huì)“動(dòng)”的。
同時(shí)，數(shù)字孿生體“動(dòng)”的依據(jù)，來自實(shí)體對(duì)象的物理設(shè)計(jì)模型、傳感器反饋的“數(shù)據(jù)”，以及運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)。實(shí)體對(duì)象的實(shí)時(shí)狀態(tài)，還有外界環(huán)境條件，都會(huì)“連接”到“孿生體”上。
從虛實(shí)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(huì)需求的同頻，使得數(shù)字孿生作為一種超越現(xiàn)實(shí)的概念，被視為一個(gè)或多個(gè)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(shí)代熱度不斷攀升。
其中，虛實(shí)映射是數(shù)字孿生的基本特征，虛實(shí)映射通過對(duì)物理實(shí)體構(gòu)建數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)物理模型和數(shù)字孿生模型的雙向映射。這對(duì)于改善對(duì)應(yīng)的物理實(shí)體的性能和運(yùn)行績效無疑具有重要作用。
事實(shí)上，對(duì)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(shí)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(shí)世界，檢修一臺(tái)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(jìn)行實(shí)地的排查檢測。顯然，這是一個(gè)“重工程”。而通過數(shù)字孿生技術(shù)，檢測人員只需對(duì)“數(shù)字孿生體”進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋，即可判斷現(xiàn)實(shí)實(shí)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(jī)械和分析技術(shù)融合的實(shí)現(xiàn)途徑，并將數(shù)字孿生應(yīng)用到旗下航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(tái)設(shè)備都擁有了一個(gè)數(shù)字化的“雙胞胎”，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)維過程的精準(zhǔn)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(jìn)行建造。中南建筑設(shè)計(jì)院（CSADI）臨危受命，設(shè)計(jì)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(jì)院的建筑信息建模（BIM）團(tuán)隊(duì)為雷神山醫(yī)院創(chuàng)造了一個(gè)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(xiàng)目需求，利用BIM技術(shù)指導(dǎo)和驗(yàn)證設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)建造提供了強(qiáng)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(huì)全球智慧城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型獎(jiǎng)。
此外，由于虛實(shí)映射是對(duì)實(shí)體對(duì)象的動(dòng)態(tài)仿真，也就意味著數(shù)字孿生模型是一個(gè)“不斷生長、不斷豐富”的過程：在整個(gè)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(hù)信息，不斷擴(kuò)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(duì)應(yīng)的實(shí)體對(duì)象，從而對(duì)實(shí)體對(duì)象進(jìn)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(gè)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(shí)，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(jià)值推廣到多個(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)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(bào)廢減少25%，合規(guī)監(jiān)管費(fèi)用也減少了70%。
從虛實(shí)映射到全生命周期管理，數(shù)字孿生展示了對(duì)于各個(gè)行業(yè)都的廣泛應(yīng)用場景。在2018年《計(jì)算機(jī)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(yùn)、城市管理、智慧農(nóng)業(yè)、建筑建設(shè)、安全急救、環(huán)境保護(hù)在內(nèi)的11個(gè)領(lǐng)域，45個(gè)細(xì)分類的應(yīng)用。
這也使數(shù)字孿生成為數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)程中炙手可熱的焦點(diǎn)。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(jià)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(shí)物制造的歷史。過去的愛迪生試錯(cuò)法根據(jù)設(shè)計(jì)藍(lán)圖和生產(chǎn)工藝造出實(shí)物產(chǎn)品，反復(fù)實(shí)驗(yàn)、測試，來滿足產(chǎn)品的功能和性能的要求。然而，計(jì)算機(jī)和軟件的出現(xiàn)改變了這一切。
1980年，達(dá)索系統(tǒng)三維交互設(shè)計(jì)軟件CATIA之父弗朗西斯·伯納德（Francis Bernard）開創(chuàng)了曲面設(shè)計(jì)簡單實(shí)體設(shè)計(jì)，通過操作光筆在計(jì)算機(jī)屏幕上用三維曲面和簡單的實(shí)體表現(xiàn)形式，遠(yuǎn)超過去的表達(dá)形式，奠定了世界工業(yè)設(shè)計(jì)從二維到三維建模的轉(zhuǎn)變。
隨后，達(dá)索飛機(jī)公司使用簡單的三維建模技術(shù)生產(chǎn)了飛機(jī)零件部件組件。1986-1990年間波音公司使用三維建模技術(shù)進(jìn)行飛機(jī)裝配驗(yàn)證，并形成大量初步規(guī)范來指導(dǎo)三維設(shè)計(jì)的使用。隨著計(jì)算機(jī)性能的提高、集成電路的小型化、計(jì)算速度的提高， UNIX工作站出現(xiàn)，三維設(shè)計(jì)成本大幅降低。
數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)從早期的二維設(shè)計(jì)發(fā)展到三維建模，從三維線框造型進(jìn)化到三維實(shí)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?cè)谟脭?shù)字孿生技術(shù)重建一個(gè)物件、一個(gè)系統(tǒng)、一個(gè)城市，甚至一個(gè)世界的同時(shí)，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(jìn)程，數(shù)字孿生從過去飛機(jī)、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(fèi)行業(yè)的時(shí)裝鞋帽、化妝品、家居家具、食品飲料消費(fèi)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(gè)城市，以及礦山開采。
而今年年初，達(dá)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(kuò)展到有生命的“life”。從造物角度來講，人體比機(jī)械要復(fù)雜太多。人體有37萬億個(gè)細(xì)胞，每一個(gè)細(xì)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(shí)的系統(tǒng)化研究，并將這些知識(shí)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(fēng)險(xiǎn)，提高成功率，改進(jìn)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(kuò)展到細(xì)胞、心臟、人體，甚至于未來整個(gè)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(dāng)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(huì)改造自然創(chuàng)造了新的方法論，從一百多年前愛迪生的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，演進(jìn)到今天的模擬擇優(yōu)，這僅僅是一個(gè)開始，而任何方法論的實(shí)現(xiàn)，都離不開與之相適配的世界觀。
