相信很多人都聽說過“數字孿生”。在過去幾年，這個詞的熱度不斷攀升，頻繁出現在各大峰會論壇的演講主題之中，備受行業(yè)內外的關注。
那么，究竟什么是數字孿生？它會給我們的生活帶來什么樣的改變？
數字孿生概念
數字孿生（Digital Twin），也稱為數字映射、數字鏡像，指的是在信息化平臺內模擬物理實體、流程或者系統，類似實體系統在信息化平臺中的雙胞胎。借助數字孿生，可以在信息化平臺上了解物理實體的狀態(tài)，甚至可以對物理實體里面預定義的接口組件進行控制，從而幫助組織監(jiān)控運營、執(zhí)行預測性維護和改進流程。
數字孿生具有四個典型的技術特征：
虛實映射。數字孿生技術要求在數字空間構建物理對象的數字化表示，現實世界中的物理對象和數字空間中的孿生體能夠實現雙向映射、數據連接和狀態(tài)交互；
實時同步?；趯崟r傳感等多元數據的獲取，孿生體可全面、精準、動態(tài)反映物理對象的狀態(tài)變化，包括外觀、性能、位置、異常等；
共生演進。在理想狀態(tài)下，數字孿生所實現的映射和同步狀態(tài)應覆蓋孿生對象從設計、生產、運營到報廢的全生命周期，孿生體應隨孿生對象生命周期進程而不斷演進更新；
閉環(huán)優(yōu)化。建立孿生體的最終目的，是通過描述物理實體內在機理，分析規(guī)律、洞察趨勢，基于分析與仿真對物理世界形成優(yōu)化指令或策略，實現對物理實體決策優(yōu)化功能的閉環(huán)。
雖然數字孿生可以代表純粹的數字事物，但它們最常充當現實世界和數字虛擬世界溝通的橋梁。例如，數字孿生可以提供工廠運營、通信網絡或通過物流系統的包裹流的數字視圖。
Gartner表示，“數字孿生的實施是一個封裝的軟件對象或模型，它反映了一個獨特的物理對象、過程、組織、人或其他抽象事物。來自多個數字孿生的數據可以聚合起來，形成跨多個現實世界實體（如發(fā)電廠或城市）及其相關流程的復合視圖。”
數字孿生的優(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)行預測性維護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或昂貴，而無法使用實物資產進行測試的場景，創(chuàng)建長期業(yè)務計劃，識別新發(fā)現并改進流程。
根據數字產品工程公司GlobalLogic的說法，數字孿生提供了五個關鍵優(yōu)勢：
加快風險評估和生產時間。數字孿生可以幫助公司在產品問世之前對其進行虛擬測試和驗證。工程師可以使用它們來識別流程故障；
預測性維護。組織可以使用數字孿生主動監(jiān)控設備和系統，以便在它們發(fā)生故障之前安排維護，從而提高生產效率；
實時遠程監(jiān)控。用戶可以遠程監(jiān)控和控制系統；
更好的團隊協作。GlobalLogic指出，流程自動化和對系統信息的24×7全天候訪問讓技術人員可以將更多時間集中在協作上；
更好的財務決策。通過集成財務數據，組織可以使用數字孿生做出更好、更快的調整決策。
挑戰(zhàn)
數字孿生作為一項新興技術理念，尚處于發(fā)展初期，仍存在許多短板問題亟待破解。
實施成本高。數字孿生技術的實現涉及到企業(yè)研發(fā)、生產、供應鏈、管理等系統的改造，投資大、沉沒成本高。受限于此，目前數字孿生往往僅能成為大企業(yè)“錦上添花”的高端技術應用，而難以成為廣大小企業(yè)“雪中送炭”的普適技術應用。
產業(yè)基礎薄弱。數字孿生產業(yè)鏈長、分工細致、碎片化程度高，跨領域之間的技術融合性較差、資源整合難，存在IT企業(yè)不懂行業(yè)機理、OT企業(yè)難以報團的突出痛點，亟需產業(yè)整合者的出現。
商業(yè)模式不成熟。不同垂直行業(yè)對數字孿生的需求差異大，垂直行業(yè)內需求“長尾效應”顯著，解決方案的可復制性不強，導致數字孿生應用多以項目交付型為主，平臺化、模塊化程度較低，不利于高效推廣。
技術短板凸顯。在機理建模、仿真分析、數據集成等方面的技術短板制約了數字孿生技術整體的應用深度，同時部分核心技術被國外龍頭企業(yè)壟斷，“安可”有潛在風險。
數字孿生技術
根據系統集成商SL Controls的說法，數字孿生由三個主要元素組成：
歷史數據：有關機器、流程和系統過去性能的數據；
實時數據：數字孿生接收來自設備傳感器的持續(xù)更新以及來自平臺和系統（如制造設備、客戶服務和采購）的輸出；
未來數據：這包括機器學習和工程師的輸入。
IBM指出，根據數字孿生技術不同應用的對象，衍生出了各種類型的數字孿生形式。這些孿生項目之間最大的區(qū)別在于應用領域：
組件孿生/零件孿生。這些是數字孿生的基本單元。在這里，孿生代表組件或零件的物理、機械和/或電氣特性；
資產孿生。資產是兩個或多個一起運行的組件，資產孿生代表了組件之間的交互，以創(chuàng)建性能數據，繼而轉化為可操作的見解；
系統或單元孿生。這一級會放大涉及的系統或單元雙胞胎，讓使用者能夠看到不同的資產如何結合在一起形成一個完整的功能系統。系統孿生可以提供有關資產交互的可見性，并可以提供建議，使這種性能增強；
進程孿生。這些孿生揭示了系統如何協同工作以創(chuàng)建整個生產設施。比如這些系統是否可以同步以最高效率運行？或者一個系統的延遲是否會影響其他系統？這個進程孿生可以幫助生產者更精準的判斷，最終產出一個可以影響整體效率的精確計時方案。
數字孿生VS數字模擬
數字模擬和數字孿生都是利用數字模型來復制出一個系統，但數字孿生實際上創(chuàng)造的是一整個虛擬環(huán)境，這就使得數字孿生擁有更多操作的可能性。
此外，與數字模擬不同，數字孿生最大的區(qū)別在于：它是對實體對象（下稱“本體”）的動態(tài)仿真，也就是說，數字孿生體是會“動”的。而且，數字孿生體是根據本體的物理設計模型、本體上面?zhèn)鞲衅鞣答伒臄祿?，以及本體運行的歷史數據而“動”的。簡單來說，它是實時更新的。
系統集成商SL Controls表示，數字模擬允許工程師對實物資產進行測試和評估，但模擬是靜態(tài)的。輸入新參數取決于工程師。數字孿生則是從物理資產、流程或系統接收實時更新，允許工程師使用真實條件執(zhí)行測試、評估和分析工作。
數字孿生實踐
目前，已經有許多組織在使用數字孿生技術來改善他們的業(yè)務：
勞斯萊斯（Rolls-Royce）提高噴氣發(fā)動機效率：跨國航空航天和國防公司勞斯萊斯已部署數字孿生技術來監(jiān)控其生產的發(fā)動機。該公司可以監(jiān)控每臺發(fā)動機的飛行方式、飛行條件以及飛行員的使用方式。勞斯萊斯還使用數字孿生提供針對特定發(fā)動機量身定制的服務計劃。
瑪氏（Mars）優(yōu)化其供應鏈：糖果、寵物護理和食品公司瑪氏正通過字孿生技術，優(yōu)化其制造供應鏈，提高產能和流程控制，包括通過預測性維護來延長機器的正常運行時間，并減少與機器包裝不一致的產品數量相關的浪費。
TIAA降低了客戶服務的復雜性：美國大學退休股票基金教師保險和年金協會（TIAA）正在使用數字孿生來降低客戶服務的復雜性。TIAA的孿生項目使用產品元數據、運營流程、重疊的相互依賴關系和業(yè)務規(guī)則，來驗證計劃運營商的服務計劃選擇。
拜耳作物科學（Bayer Crop Science）公司通過虛擬工廠重塑戰(zhàn)略：拜耳作物科學為其在北美的9個玉米種子生產基地都創(chuàng)建了“虛擬工廠”。虛擬工廠是9個站點中每個站點的設備、流程和產品流特征、材料清單和操作規(guī)則的動態(tài)數字表示。除了提供實時的運營視圖外，虛擬工廠還允許拜耳執(zhí)行“假設”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)務計劃和改進流程。
達索用數字孿生搭建“生命線”：達索進行了一個“生命心臟項目”（LHP），通過生物技術傳感器和掃描技術為人類心臟建立數字孿生。數字孿生是具有電和肌肉特性的心臟的個性化全尺寸模型，可以模擬真實心臟的行為。它不僅可以支持各種操作，例如貼緊心臟起搏器，反轉腔室，切割任何橫截面以及運行假設，而且還可以對心臟進行虛擬分析，以便在疾病開始之前為心臟病患者提供護理。
空中客車公司減少交貨時間：空客公司開發(fā)了應用數字孿生技術的大型配件裝配系統，對裝配過程進行自動控制，以提高自動化程度并減少交貨時間。在該裝配系統中創(chuàng)建的數字孿生模型不僅僅是相應實際零部件的三維CAD模型，同時基于裝備的傳感器，也對各組件的行為模型進行建模，包括組件的力學行為模型及形變行為模型。
數字孿生軟件
數字孿生軟件平臺結合物聯網傳感器數據和其他數據來監(jiān)控資產性能和運行模擬。一般來說，可擴展的數字孿生平臺具有六個關鍵特性：
管理數字孿生生命周期。數字孿生是“數字線程”或“數字本體”的實例，即構成物理資產的需求、部件和控制系統。例如，風車的數字本體由工程圖、材料清單、軟件版本和其他用于創(chuàng)建風車的工件組成。風車數字孿生平臺需要利用該數字本體，并提供工具來測試、部署和管理基于數字本體的數字孿生。這些工具需要能夠擴展到數百個數字本體和數千個數字孿生。
單一事實來源。平臺需要能夠更新并為每個數字孿生提供準確的狀態(tài)。例如，日常維護可能會導致一項資產的部件或固件版本與另一項資產不同。平臺必須能夠在每個對象和資產發(fā)生變化時立即更新其準確狀態(tài)。
開放API。作為工業(yè)物聯網解決方案的接口和集成點，該平臺必須提供一個開放的API，允許任何系統與之交互。
可視化和分析。該平臺必須允許組織創(chuàng)建可視化、儀表板和對來自數字孿生的實時數據的深入分析。實時數據應鏈接到數字本體。
事件和流程管理。平臺必須允許用戶創(chuàng)建可以基于平臺數據執(zhí)行的事件和業(yè)務流程。
客戶和用戶視角。該平臺需要實現數字孿生的利益相關者之間的協作。它應該反映每個組織擁有或運營情況，以及允許哪些用戶訪問數據。
數字孿生先驅
許多組織正在構建自己的數字孿生項目，但也有一些廣受歡迎的平臺供應商及產品，它們包括：
aPriori數字制造模擬軟件；
Autodesk數字孿生
Ayla物聯網平臺；
AWS物聯網；
Interfacing Technologies的企業(yè)流程中心（EPC）；
Oracle IoT生產監(jiān)控云；
GE Predix平臺；
SAP Leonardo物聯網；
數字孿生市場
從市場前景來看，數字孿生是熱度最高的數字化技術之一，存在巨大的發(fā)展空間。Gartner連續(xù)三年（2017-2019）將數字孿生列為“年度十大戰(zhàn)略性技術趨勢”，認為它在未來將產生顛覆性創(chuàng)新。
研究公司MarketsandMarkets數據顯示，2020年全球數字孿生市場價值為31億美元，并預計數字孿生市場規(guī)模將由2020年的31億美元增長至2026年的482億美元，年復合增長率58%。它認為數字孿生是第四次工業(yè)革命（或“工業(yè)4.0”）的關鍵組成部分。
MarketsandMarkets在其報告中表示，“在工業(yè)4.0時代，數字孿生被認為將制造技術與物聯網等先進技術相結合，有助于開發(fā)互聯制造系統。因此，數字孿生技術似乎是一種理想的解決方案，可以幫助企業(yè)實現工業(yè)4.0標準。”
該公司認為，汽車和運輸、能源和電力、航空航天和國防垂直行業(yè)將是數字孿生技術的關鍵最終用戶。
此外，IDC也預測稱，2022年將有40%的IoT平臺供應商通過集成仿真、系統、功能于一體用來創(chuàng)建數組孿生模型；而70%的制造商將利用數字孿生進行流程仿真和數據評估。
可以肯定的是，在可預見的將來，隨著新一代信息技術與實體經濟深度融合進程的加快，企業(yè)數字化轉型需求的提升，政策的持續(xù)支持，數字孿生將為工業(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：《數字孿生技術應用白皮書（2021）》
