什么是數(shù)字孿生，其應(yīng)用價(jià)值表現(xiàn)在哪些方面？

    如今，業(yè)界對(duì)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(tuán)通過(guò)英偉達(dá)的Omniverse平臺(tái)在計(jì)算機(jī)中創(chuàng)建數(shù)字孿生工廠，并在數(shù)字孿生工廠中進(jìn)行改變生產(chǎn)線配置、工人動(dòng)線、倉(cāng)儲(chǔ)管理等實(shí)驗(yàn)。

    在智慧城市領(lǐng)域，愛(ài)立信公司在計(jì)算機(jī)中創(chuàng)建一個(gè)大型規(guī)模的數(shù)字孿生城市，來(lái)準(zhǔn)確模擬5G基站與環(huán)境之間的相互作用，以便令5G信號(hào)達(dá)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(shí)模擬建筑的內(nèi)部樣子。通過(guò)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(jì)，通過(guò)解決平衡照進(jìn)建筑的光來(lái)達(dá)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(shí)世界和數(shù)字虛擬世界溝通的橋梁，今天小億就來(lái)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(chēng)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(lèi)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(yíng)、執(zhí)行預(yù)測(cè)性維護(hù)和改進(jìn)流程。

    當(dāng)然，對(duì)于不同現(xiàn)實(shí)對(duì)象，其數(shù)字孿生模型構(gòu)建的側(cè)重點(diǎn)和用途不盡相同。對(duì)于企業(yè)組織、城市等實(shí)體數(shù)字孿生，則更強(qiáng)調(diào)對(duì)廣域數(shù)據(jù)的聚合融通，著力于通過(guò)模擬仿真來(lái)優(yōu)化全局決策、加強(qiáng)協(xié)同，因此這一用途也越來(lái)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(shí)世界中的實(shí)體對(duì)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(duì)實(shí)體對(duì)象外部形態(tài)、內(nèi)部機(jī)理和運(yùn)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(jí)增長(zhǎng)。主要表現(xiàn)在數(shù)字孿生可以有多個(gè)變身，即根據(jù)不同用途和場(chǎng)景構(gòu)建形態(tài)各異的數(shù)字模型。

    3.特征

    （1）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；

    （2）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；

    （3）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(yíng)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；

    （4）閉環(huán)優(yōu)化：建立孿生體的最終目的，是通過(guò)描述物理實(shí)體內(nèi)在機(jī)理，分析規(guī)律、洞察趨勢(shì)，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)。

    二、數(shù)字孿生的應(yīng)用價(jià)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(cè)性維護(hù)并為資本購(gòu)買(mǎi)決策提供洞察力。它們還可以幫助組織模擬那些過(guò)于耗時(shí)或昂貴，而無(wú)法使用實(shí)物資產(chǎn)進(jìn)行測(cè)試的場(chǎng)景，創(chuàng)建長(zhǎng)期業(yè)務(wù)計(jì)劃，識(shí)別新發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)流程�？偟膩�(lái)說(shuō)，數(shù)字孿生提供了五個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：

    1.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(wèn)世之前對(duì)其進(jìn)行虛擬測(cè)試和驗(yàn)證。工程師可以使用它們來(lái)識(shí)別流程故障；

    2.預(yù)測(cè)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；

    3.實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控：用戶(hù)可以遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制系統(tǒng)；

    4.更好的團(tuán)隊(duì)協(xié)作：流程自動(dòng)化和對(duì)系統(tǒng)信息的24×7全天候訪問(wèn)讓技術(shù)人員可以將更多時(shí)間集中在協(xié)作上；

    5.更好的財(cái)務(wù)決策：通過(guò)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(lái)看，數(shù)字孿生的技術(shù)體系是非常龐大的。它的感知、計(jì)算和建模過(guò)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(jī)交互等諸多技術(shù)領(lǐng)域。

    數(shù)字孿生的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)際上是云計(jì)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(jìn)技術(shù)綜合實(shí)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(guò)程相當(dāng)于骨架的搭建過(guò)程；采集數(shù)據(jù)、開(kāi)展數(shù)據(jù)治理和大數(shù)據(jù)分析，相當(dāng)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(dòng)正如人體的血液，所提供的動(dòng)能使數(shù)字機(jī)體不斷成長(zhǎng)，對(duì)物理世界對(duì)象的映射更趨精準(zhǔn)；模擬仿真使“數(shù)字人”具備智慧，從而使通過(guò)虛擬空間高效率、低成本優(yōu)化物理實(shí)體成為可能。

    四、數(shù)字孿生的應(yīng)用場(chǎng)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(guò)對(duì)數(shù)字孿生模型的分析，來(lái)改善其對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象對(duì)象的性能和運(yùn)行效率。

    1. 實(shí)物的數(shù)字孿生可以提升工業(yè)產(chǎn)品在研發(fā)、運(yùn)維等全生命周期內(nèi)的效益

    實(shí)物數(shù)字孿生應(yīng)用的價(jià)值是通過(guò)虛實(shí)融合、虛實(shí)映射，持續(xù)改進(jìn)產(chǎn)品的性能，提高產(chǎn)品運(yùn)行的安全性、可靠性、穩(wěn)定性，提升產(chǎn)品運(yùn)行的“健康度”，從而提升產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝等各方面的改進(jìn)，降低產(chǎn)品成本，幫助企業(yè)提高盈利能力。

    例如美國(guó)通用公司在其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)Predix上利用實(shí)物的數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障檢測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)；在產(chǎn)品報(bào)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(shí)體為對(duì)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(yíng)水平，實(shí)現(xiàn)降本增效

    很多企業(yè)在信息化建設(shè)過(guò)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(dú)立，事實(shí)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(shí)了解企業(yè)經(jīng)營(yíng)的全貌�，F(xiàn)有的企業(yè)管理軟件設(shè)計(jì)思路多為模擬企業(yè)的實(shí)體業(yè)務(wù)過(guò)程及線下操作的動(dòng)作，如各種單據(jù)、表樣、流程等，而不是建立實(shí)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(guò)多維建模，企業(yè)數(shù)字孿生通過(guò)建立企業(yè)實(shí)體業(yè)務(wù)的多維模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析，并基于業(yè)務(wù)動(dòng)因?qū)崟r(shí)預(yù)測(cè)業(yè)務(wù)結(jié)果，預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)并及時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、建模仿真、分析預(yù)警、決策支持的實(shí)時(shí)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(shí)交融的城市未來(lái)的發(fā)展形態(tài)，如新加坡政府主導(dǎo)推動(dòng)的“虛擬新加坡”項(xiàng)目，通過(guò)數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)三維城市模型和協(xié)作數(shù)據(jù)平臺(tái)。在英國(guó)推動(dòng)的“數(shù)字英國(guó)”戰(zhàn)略項(xiàng)目中，信息管理框架成為英國(guó)國(guó)家級(jí)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(shí)現(xiàn)依賴(lài)于諸多新技術(shù)的發(fā)展和高度集成，以及跨學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用，是一個(gè)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(jī)器學(xué)習(xí)、模擬仿真等。

    數(shù)字孿生建模技術(shù)經(jīng)歷了從實(shí)物的“組件組裝”式建模到復(fù)雜實(shí)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(chǔ)及大數(shù)據(jù)分析，因此對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)能力和計(jì)算能力提出了較大的挑戰(zhàn)。

    除此以外，數(shù)字孿生對(duì)處理芯片、數(shù)據(jù)平臺(tái)、設(shè)備等都提出了高要求主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

    （1）數(shù)字孿生設(shè)計(jì)的模型與數(shù)據(jù)規(guī)模龐大，包括建模對(duì)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(jì)算機(jī)硬件具備巨大的處理能力。

    （2）數(shù)字孿生對(duì)模型仿真與數(shù)據(jù)分析處理效率有實(shí)時(shí)要求，即基于實(shí)時(shí)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(jì)算設(shè)備或硬件具有強(qiáng)大的計(jì)算能力。

    （3）數(shù)字孿生對(duì)終端設(shè)備提出更互動(dòng)、更沉浸、更清晰的要求，這對(duì)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(tái)等，成為促進(jìn)數(shù)字孿生高效率、高速、高質(zhì)量運(yùn)行的推動(dòng)條件。

    六、億信華辰數(shù)字孿生落地典型應(yīng)用

    1.設(shè)備級(jí)數(shù)字孿生

    構(gòu)建設(shè)備級(jí)數(shù)字孿生，通過(guò)三維建模能夠高度還原設(shè)備的外形、材質(zhì)、紋理細(xì)節(jié)等精密顯示細(xì)節(jié)以及復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高精度、超精細(xì)的可視化渲染；支持設(shè)備組態(tài)結(jié)構(gòu)、復(fù)雜動(dòng)作的全數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)顯示，對(duì)設(shè)備位置分布、類(lèi)型、運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行真實(shí)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(gè)零部件的工作狀態(tài)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行異常實(shí)時(shí)告警，輔助管理者直觀掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)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(jī)地統(tǒng)一起來(lái)，加入工廠的內(nèi)部監(jiān)督與管控，從而達(dá)到降低成本、提高效率、減少環(huán)節(jié)、查找問(wèn)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(yùn)營(yíng)平臺(tái)。

2.園區(qū)級(jí)數(shù)字孿生

    基于數(shù)據(jù)可視化構(gòu)建園區(qū)級(jí)數(shù)字孿生，能夠在有效整合園區(qū)運(yùn)營(yíng)各類(lèi)信息資源的基礎(chǔ)上，基于三維可視化場(chǎng)景，對(duì)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(yùn)行情況進(jìn)行精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)。通過(guò)整合園區(qū)各領(lǐng)域現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源，對(duì)園區(qū)綜合運(yùn)營(yíng)、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(biāo)進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)分析。

    借助億信ABI搭建的一個(gè)集園區(qū)生產(chǎn)、園區(qū)運(yùn)營(yíng)、園區(qū)決策多維一體的智慧園區(qū)運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)，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(yùn)行系統(tǒng)的各項(xiàng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合展現(xiàn)。對(duì)園區(qū)人、事、物進(jìn)行統(tǒng)一管理，可以輔助管理者對(duì)園區(qū)運(yùn)行態(tài)勢(shì)進(jìn)行全面感知、綜合研判，實(shí)現(xiàn)管理精細(xì)化、決策科學(xué)化和服務(wù)高效化。

    3.城市級(jí)數(shù)字孿生

    通過(guò)數(shù)據(jù)可視化，構(gòu)建城市級(jí)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(jìn)行精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)，并對(duì)細(xì)分業(yè)務(wù)領(lǐng)域數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行多維度可視分析，實(shí)現(xiàn)從全域視角到微觀領(lǐng)域，對(duì)城市運(yùn)行態(tài)勢(shì)進(jìn)行全息動(dòng)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(chē)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(cè)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展監(jiān)測(cè)、交通運(yùn)行監(jiān)測(cè)、公共安全監(jiān)測(cè)、聯(lián)動(dòng)指揮監(jiān)測(cè)等多個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域，賦能用戶(hù)業(yè)務(wù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)“智能感知、智能分派、智能處置、智能考評(píng)、智能改進(jìn)”，有效提升跨部門(mén)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(xué)習(xí)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(xiàng)“虛實(shí)結(jié)合”的數(shù)字化轉(zhuǎn)型技術(shù)，正在各個(gè)領(lǐng)域加速落地。

    比如，隨著城市數(shù)字模型的擴(kuò)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(dāng)下，數(shù)字孿生技術(shù)的瓶頸來(lái)自方方面面，暫時(shí)還無(wú)法大規(guī)模普及使用，但它可以為工業(yè)制造、未來(lái)生活帶來(lái)無(wú)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。