如今，業(yè)界對數(shù)字孿生的關(guān)注度與日俱增，在智慧工廠領(lǐng)域，寶馬集團通過英偉達的Omniverse平臺在計算機中創(chuàng)建數(shù)字孿生工廠，并在數(shù)字孿生工廠中進行改變生產(chǎn)線配置、工人動線、倉儲管理等實驗。
在智慧城市領(lǐng)域，愛立信公司在計算機中創(chuàng)建一個大型規(guī)模的數(shù)字孿生城市，來準確模擬5G基站與環(huán)境之間的相互作用，以便令5G信號達到最佳傳輸性能和覆蓋率。
在建筑模擬領(lǐng)域，應(yīng)用數(shù)字孿生可真實模擬建筑的內(nèi)部樣子。通過數(shù)字孿生在最大程度考量自然光特性的前提下模擬建筑內(nèi)部的光照設(shè)計，通過解決平衡照進建筑的光來達到形成恒溫系統(tǒng)并節(jié)約能源。
那到底什么是數(shù)字孿生，其本質(zhì)是什么？以及數(shù)字孿生是如何成為現(xiàn)實世界和數(shù)字虛擬世界溝通的橋梁，今天小億就來分享一下。
一、什么是數(shù)字孿生？
1.定義
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內(nèi)模擬物理實體、流程或者系統(tǒng)，類似實體系統(tǒng)在信息化平臺中的雙胞胎。借助數(shù)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(yù)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(yù)測性維護和改進流程。
當然，對于不同現(xiàn)實對象，其數(shù)字孿生模型構(gòu)建的側(cè)重點和用途不盡相同。對于企業(yè)組織、城市等實體數(shù)字孿生，則更強調(diào)對廣域數(shù)據(jù)的聚合融通，著力于通過模擬仿真來優(yōu)化全局決策、加強協(xié)同，因此這一用途也越來越得到企業(yè)管理者和政府的重視。
2.本質(zhì)
數(shù)字孿生的本質(zhì)是信息建模，旨在為現(xiàn)實世界中的實體對象在數(shù)字虛擬世界中構(gòu)建完全一致的數(shù)字模型，但數(shù)字孿生涉及的信息建模已不再是基于傳統(tǒng)的底層信息傳輸格式的建模。
而是對實體對象外部形態(tài)、內(nèi)部機理和運行關(guān)系等方面的整體抽象描述，其難度和應(yīng)用效果相較于傳統(tǒng)建模呈指數(shù)級增長。主要表現(xiàn)在數(shù)字孿生可以有多個變身，即根據(jù)不同用途和場景構(gòu)建形態(tài)各異的數(shù)字模型。
3.特征
（1）虛實映射：數(shù)字孿生技術(shù)要求在數(shù)字空間構(gòu)建物理對象的數(shù)字化表示，現(xiàn)實世界中的物理對象和數(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；
（2）實時同步：基于實時傳感等多元數(shù)據(jù)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；
（3）共生演進：在理想狀態(tài)下，數(shù)字孿生所實現(xiàn)的映射和同步狀態(tài)應(yīng)覆蓋孿生對象從設(shè)計、生產(chǎn)、運營到報廢的全生命周期，孿生體應(yīng)隨孿生對象生命周期進程而不斷演進更新；
（4）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(nèi)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(xiàn)對物理實體決策優(yōu)化功能的閉環(huán)。
二、數(shù)字孿生的應(yīng)用價值
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(chǎn)進行測試的場景，創(chuàng)建長期業(yè)務(wù)計劃，識別新發(fā)現(xiàn)并改進流程?？偟膩碚f，數(shù)字孿生提供了五個關(guān)鍵優(yōu)勢：
1.加快風險評估和生產(chǎn)時間：數(shù)字孿生可以幫助公司在產(chǎn)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；
2.預(yù)測性維護：組織可以使用數(shù)字孿生主動監(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，從而提高生產(chǎn)效率；
3.實時遠程監(jiān)控：用戶可以遠程監(jiān)控和控制系統(tǒng)；
4.更好的團隊協(xié)作：流程自動化和對系統(tǒng)信息的24×7全天候訪問讓技術(shù)人員可以將更多時間集中在協(xié)作上；
5.更好的財務(wù)決策：通過集成財務(wù)數(shù)據(jù)，組織可以使用數(shù)字孿生做出更好、更快地調(diào)整決策。
三、數(shù)字孿生的技術(shù)體系
站在技術(shù)的角度來看，數(shù)字孿生的技術(shù)體系是非常龐大的。它的感知、計算和建模過程，涵蓋了感知控制、數(shù)據(jù)集成、模型構(gòu)建、模型互操作、業(yè)務(wù)集成、人機交互等諸多技術(shù)領(lǐng)域。
數(shù)字孿生的技術(shù)競爭，實際上是云計算、大數(shù)據(jù)、3D建模、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及人工智能等ICT先進技術(shù)綜合實力的博弈。
比如，如果把數(shù)字孿生的構(gòu)建比作“數(shù)字人”的創(chuàng)造，則其核心的建模過程相當于骨架的搭建過程；采集數(shù)據(jù)、開展數(shù)據(jù)治理和大數(shù)據(jù)分析，相當于生成人的肌肉組織；
而數(shù)據(jù)在物理世界和虛擬空間之間的雙向流動正如人體的血液，所提供的動能使數(shù)字機體不斷成長，對物理世界對象的映射更趨精準；模擬仿真使“數(shù)字人”具備智慧，從而使通過虛擬空間高效率、低成本優(yōu)化物理實體成為可能。
四、數(shù)字孿生的應(yīng)用場景及案例
構(gòu)建數(shù)字孿生模型不是目的，而是手段，人們寄希望于通過對數(shù)字孿生模型的分析，來改善其對應(yīng)的現(xiàn)象對象的性能和運行效率。
1.實物的數(shù)字孿生可以提升工業(yè)產(chǎn)品在研發(fā)、運維等全生命周期內(nèi)的效益
實物數(shù)字孿生應(yīng)用的價值是通過虛實融合、虛實映射，持續(xù)改進產(chǎn)品的性能，提高產(chǎn)品運行的安全性、可靠性、穩(wěn)定性，提升產(chǎn)品運行的“健康度”，從而提升產(chǎn)品在市場上的競爭力。同時，通過對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝等各方面的改進，降低產(chǎn)品成本，幫助企業(yè)提高盈利能力。
例如美國通用公司在其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺Predix上利用實物的數(shù)字孿生技術(shù)，對飛機發(fā)動機進行實時監(jiān)控、故障檢測和預(yù)測性維護；在產(chǎn)品報廢回收再利用的生命周期中，可以根據(jù)產(chǎn)品的使用履歷、維修物料清單和更換備品備件的記錄，結(jié)合數(shù)字孿生模型的仿真結(jié)果，判斷零件的健康狀態(tài)。
2.以企業(yè)組織實體為對象的數(shù)字孿生能大幅提升企業(yè)整體的數(shù)字化、智能化經(jīng)營水平，實現(xiàn)降本增效
很多企業(yè)在信息化建設(shè)過程中所使用的ERP、CRM、MES、FMS等條塊化的信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)上彼此獨立，事實上形成了企業(yè)內(nèi)部大量的“數(shù)據(jù)孤島”，管理層很難及時了解企業(yè)經(jīng)營的全貌?，F(xiàn)有的企業(yè)管理軟件設(shè)計思路多為模擬企業(yè)的實體業(yè)務(wù)過程及線下操作的動作，如各種單據(jù)、表樣、流程等，而不是建立實體業(yè)務(wù)的數(shù)字化模型。因此產(chǎn)生了大量的冗余數(shù)據(jù)，一致性也較差。
通過多維建模，企業(yè)數(shù)字孿生通過建立企業(yè)實體業(yè)務(wù)的多維模型，實現(xiàn)對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的實時分析，并基于業(yè)務(wù)動因?qū)崟r預(yù)測業(yè)務(wù)結(jié)果，預(yù)警風險并及時調(diào)整，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、建模仿真、分析預(yù)警、決策支持的實時一體化。
3.數(shù)字孿生技術(shù)也正逐步在更廣泛的領(lǐng)域得以應(yīng)用
數(shù)字孿生城市已成為支撐智慧城市建設(shè)的技術(shù)體系，是虛實交融的城市未來的發(fā)展形態(tài)，如新加坡政府主導推動的“虛擬新加坡”項目，通過數(shù)字孿生實現(xiàn)動態(tài)三維城市模型和協(xié)作數(shù)據(jù)平臺。在英國推動的“數(shù)字英國”戰(zhàn)略項目中，信息管理框架成為英國國家級數(shù)字孿生體的核心技術(shù)載體。
五、數(shù)字孿生面臨的挑戰(zhàn)
數(shù)字孿生的技術(shù)實現(xiàn)依賴于諸多新技術(shù)的發(fā)展和高度集成，以及跨學科知識的綜合應(yīng)用，是一個復(fù)雜的、協(xié)同的系統(tǒng)工程，涉及的關(guān)鍵技術(shù)方法包括建模、大數(shù)據(jù)分析、機器學習、模擬仿真等。
數(shù)字孿生建模技術(shù)經(jīng)歷了從實物的“組件組裝”式建模到復(fù)雜實體的多維深度融合建模的發(fā)展。由于數(shù)字孿生存在海量數(shù)據(jù)存儲及大數(shù)據(jù)分析，因此對數(shù)據(jù)的存儲能力和計算能力提出了較大的挑戰(zhàn)。
除此以外，數(shù)字孿生對處理芯片、數(shù)據(jù)平臺、設(shè)備等都提出了高要求主要表現(xiàn)在以下3個方面：
（1）數(shù)字孿生設(shè)計的模型與數(shù)據(jù)規(guī)模龐大，包括建模對象全生命周期中不斷更新的全要素、全業(yè)務(wù)、全流程的數(shù)據(jù)與模型，需要計算機硬件具備巨大的處理能力。
（2）數(shù)字孿生對模型仿真與數(shù)據(jù)分析處理效率有實時要求，即基于實時的模型方針與數(shù)據(jù)分析結(jié)果向物理空間反饋控制策略，這需要計算設(shè)備或硬件具有強大的計算能力。
（3）數(shù)字孿生對終端設(shè)備提出更互動、更沉浸、更清晰的要求，這對設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸能力、顯示技術(shù)等提出了更高要求。尤其是處理芯片和數(shù)據(jù)平臺等，成為促進數(shù)字孿生高效率、高速、高質(zhì)量運行的推動條件。
六、億信華辰數(shù)字孿生落地典型應(yīng)用
1.設(shè)備級數(shù)字孿生
構(gòu)建設(shè)備級數(shù)字孿生，通過三維建模能夠高度還原設(shè)備的外形、材質(zhì)、紋理細節(jié)等精密顯示細節(jié)以及復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高精度、超精細的可視化渲染；支持設(shè)備組態(tài)結(jié)構(gòu)、復(fù)雜動作的全數(shù)據(jù)驅(qū)動顯示，對設(shè)備位置分布、類型、運行環(huán)境、運行狀態(tài)進行真實復(fù)現(xiàn)，不僅可以看到產(chǎn)品外部的變化，更重要的是可以看到產(chǎn)品內(nèi)部的每一個零部件的工作狀態(tài)，對設(shè)備運行異常實時告警，輔助管理者直觀掌握設(shè)備運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備安全隱患。
借助億信ABI，利用3D可視化技術(shù)將工廠的管理、生產(chǎn)、決策有機地統(tǒng)一起來，加入工廠的內(nèi)部監(jiān)督與管控，從而達到降低成本、提高效率、減少環(huán)節(jié)、查找問題、分析得失等目的，形成互相關(guān)聯(lián)、整體一致的智慧工廠運營平臺。
2.園區(qū)級數(shù)字孿生
基于數(shù)據(jù)可視化構(gòu)建園區(qū)級數(shù)字孿生，能夠在有效整合園區(qū)運營各類信息資源的基礎(chǔ)上，基于三維可視化場景，對園區(qū)外部環(huán)境、建筑、產(chǎn)業(yè)分布、樓宇內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及具體設(shè)備運行情況進行精準復(fù)現(xiàn)。通過整合園區(qū)各領(lǐng)域現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源，對園區(qū)綜合運營、安防、交通管理、設(shè)施管理、能效管理、環(huán)境空間管理等業(yè)務(wù)領(lǐng)域的關(guān)鍵指標進行綜合監(jiān)測分析。
借助億信ABI搭建的一個集園區(qū)生產(chǎn)、園區(qū)運營、園區(qū)決策多維一體的智慧園區(qū)運營管理平臺，借助地理信息技術(shù)、三維虛擬化等高科技手段，集地上地下、室內(nèi)室外一體化的二三維模型為一體，將園區(qū)核心運行系統(tǒng)的各項關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行綜合展現(xiàn)。對園區(qū)人、事、物進行統(tǒng)一管理，可以輔助管理者對園區(qū)運行態(tài)勢進行全面感知、綜合研判，實現(xiàn)管理精細化、決策科學化和服務(wù)高效化。
3.城市級數(shù)字孿生
通過數(shù)據(jù)可視化，構(gòu)建城市級數(shù)字孿生，能夠在充分整合城市各領(lǐng)域信息資源的基礎(chǔ)上，將大規(guī)模城市各領(lǐng)域管理要素進行精準復(fù)現(xiàn)，并對細分業(yè)務(wù)領(lǐng)域數(shù)據(jù)指標進行多維度可視分析，實現(xiàn)從全域視角到微觀領(lǐng)域，對城市運行態(tài)勢進行全息動態(tài)感知。
基于億信ABI搭建智慧城市系統(tǒng)，整合人口、單位、建筑、車輛、軌跡、污染物、生態(tài)等核心數(shù)據(jù)，覆蓋城市全景可視化、城市治理監(jiān)測、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、經(jīng)濟發(fā)展監(jiān)測、交通運行監(jiān)測、公共安全監(jiān)測、聯(lián)動指揮監(jiān)測等多個業(yè)務(wù)領(lǐng)域，賦能用戶業(yè)務(wù)應(yīng)用，實現(xiàn)“智能感知、智能分派、智能處置、智能考評、智能改進”，有效提升跨部門決策和資源協(xié)調(diào)效率。
七、小結(jié)
數(shù)字孿生是大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和深度學習等蓬勃發(fā)展背景下，在傳統(tǒng)仿真技術(shù)基礎(chǔ)上孕育而生的新技術(shù)，作為一項“虛實結(jié)合”的數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)，正在各個領(lǐng)域加速落地。
比如，隨著城市數(shù)字模型的擴充與發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)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(yīng)急系統(tǒng)、交通控制系統(tǒng)等諸多地方。
當下，數(shù)字孿生技術(shù)的瓶頸來自方方面面，暫時還無法大規(guī)模普及使用，但它可以為工業(yè)制造、未來生活帶來無限的可能，隨著芯片、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、軟件算法等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生將有更多想象空間。
