伴隨著人類進(jìn)入信息化、數(shù)字化時(shí)代，人們對(duì)虛擬數(shù)字化世界的好奇和探尋就從未停止過。如今，數(shù)字孿生已開始推動(dòng)人類生產(chǎn)力革命和升級(jí)，改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)生活方式。
中國是加工制造業(yè)大國，產(chǎn)業(yè)數(shù)字化升級(jí)正在推進(jìn)中，數(shù)字孿生的應(yīng)用有無限廣闊的空間，加上政策支持，數(shù)字孿生在我國迎來了快速的發(fā)展機(jī)遇期。
1、數(shù)字孿生迎來發(fā)展新契機(jī)
我國十分重視發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)，在創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享的新發(fā)展理念引導(dǎo)下，我國正積極推進(jìn)數(shù)字產(chǎn)業(yè)化、產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，引導(dǎo)數(shù)字經(jīng)濟(jì)和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深層次融合，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。
2020年4月，國家發(fā)改委、中央網(wǎng)信辦發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)“上云用數(shù)賦智”行動(dòng)培育新經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)施方案》的通知，將數(shù)字孿生與大數(shù)據(jù)、人工智能、5G等并列，并專辟章節(jié)談“開展數(shù)字孿生創(chuàng)新計(jì)劃”，要求“引導(dǎo)各方參與提出數(shù)字孿生的解決方案”；同月，工信部在發(fā)布的《智能船舶標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》（征求意見稿）中，也明確的將建設(shè)“數(shù)字孿生（體）”列入關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用。2020年9月，國資委下發(fā)《關(guān)于加快推進(jìn)國有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作的通知》，要求國有企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作中，加快推進(jìn)數(shù)字孿生、北斗通信等技術(shù)的應(yīng)用。
業(yè)界對(duì)數(shù)字孿生的關(guān)注也熱度不減。全球最具權(quán)威性的IT研究與顧問咨詢公司Gartner在近些年來的重要戰(zhàn)略科技趨勢(shì)報(bào)告中，頻繁關(guān)注數(shù)字孿生技術(shù)及其應(yīng)用場(chǎng)景。去年10月發(fā)布的2021年重要戰(zhàn)略技術(shù)趨勢(shì)報(bào)告中提及的行為互聯(lián)網(wǎng)、組裝式智能企業(yè)及超級(jí)自動(dòng)化等新科技趨勢(shì)，也均需數(shù)字孿生技術(shù)體系的支撐?？梢钥吹綌?shù)字孿生已經(jīng)滲透到未來技術(shù)應(yīng)用的各個(gè)方面。
2、數(shù)字孿生的探究熱度不斷升溫
“數(shù)字孿生”最初的概念模型由邁克爾·格里弗斯博士于2002年10月在美國制造工程協(xié)會(huì)管理論壇上提出。2009年，美國空軍有關(guān)實(shí)驗(yàn)室第一次提出“機(jī)身數(shù)字孿生”概念。2010年,美國國家航空航天局（NASA）在《建模、仿真、信息技術(shù)和處理》和《材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)和制造》兩份技術(shù)路線圖中開始直接應(yīng)用“數(shù)字孿生”這個(gè)名稱。
近些年來，學(xué)術(shù)界和企業(yè)界對(duì)數(shù)字孿生的探究熱度不減，愈加深入，國際標(biāo)準(zhǔn)ISO23247（待發(fā)布）對(duì)數(shù)字孿生制造展開明確定義，界定了生產(chǎn)場(chǎng)景下的數(shù)字孿生。縱覽數(shù)字孿生的發(fā)展過程，伴隨著有關(guān)技術(shù)的迭代更新，數(shù)字孿生的內(nèi)涵也不斷完善：從簡(jiǎn)單的對(duì)一個(gè)產(chǎn)品、一臺(tái)設(shè)備、一條生產(chǎn)線等的數(shù)字孿生，演進(jìn)到更加復(fù)雜的對(duì)一個(gè)企業(yè)組織、一座城市的數(shù)字孿生。英國和德國甚至提出“數(shù)字國家”這種更加宏觀的概念。
現(xiàn)階段，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對(duì)數(shù)字孿生概念的描述雖仍有差異，但正趨于共識(shí)：數(shù)字孿生是以特定的目的為導(dǎo)向?qū)ξ锢硎澜绗F(xiàn)實(shí)目標(biāo)的數(shù)字化表述。這一對(duì)象不但包含產(chǎn)品、設(shè)備、建筑物等“實(shí)物”，也包含企業(yè)組織、城市等“實(shí)體”。通過對(duì)物理目標(biāo)構(gòu)建數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)物理目標(biāo)和數(shù)字孿生模型的雙向映射。對(duì)于不同的現(xiàn)實(shí)目標(biāo)，其數(shù)字孿生模型構(gòu)建的著重點(diǎn)和主要用途不盡相同，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)的匯聚融通，著力于通過模擬仿真來優(yōu)化全局決策，加強(qiáng)協(xié)同，也愈來愈得到企業(yè)管理者和政府的重視。
3、數(shù)字孿生依賴于新技術(shù)發(fā)展和集成
數(shù)字孿生的技術(shù)實(shí)現(xiàn)依賴于諸多新技術(shù)的發(fā)展和高度集成，以及跨學(xué)科知識(shí)的綜合運(yùn)用，是一個(gè)復(fù)雜的、協(xié)同的系統(tǒng)工程，涉及到的關(guān)鍵技術(shù)方法包含建模、大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、模擬仿真等。
舉例來說 ，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就好比骨架的搭建過程；采集數(shù)據(jù)，展開數(shù)據(jù)治理和大數(shù)據(jù)分析，就好比生成人的肌肉組織；而數(shù)據(jù)在物理世界和賽博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)物理世界目標(biāo)的映射更趨精準(zhǔn)；模擬仿真使“數(shù)字人”具備智慧，進(jìn)而使通過賽博空間高效率、低成本優(yōu)化物理實(shí)體成為可能。
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。
建模是數(shù)字孿生落地運(yùn)用的引擎。過去，數(shù)字孿生建模一般是通過將不同領(lǐng)域的獨(dú)立模型“組裝”成更大的模型來實(shí)現(xiàn)。對(duì)產(chǎn)品、設(shè)備等實(shí)物，通過“組裝”建?？梢詫?shí)現(xiàn)不錯(cuò)的效果，但復(fù)雜實(shí)體的建模往往是跨領(lǐng)域、跨類型、跨尺度，涉及到多個(gè)維度，通過單一維度的“組件組裝”，建模效果欠佳。
多維深度融合建模技術(shù)的逐步完善，支撐更復(fù)雜的實(shí)體組織或智慧城市的孿生模型構(gòu)建：多維度建模技術(shù)的引進(jìn)，通過融合不同粒度的屬性、行為、特征等的“多空間尺度”，及其刻畫物理目標(biāo)隨時(shí)間推進(jìn)的演化過程、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程、外部環(huán)境與干擾影響等“多時(shí)間尺度”模型，使數(shù)字孿生模型能夠同時(shí)反映建模目標(biāo)在微觀和宏觀層面上的特征。
基于深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等新興機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展促使大數(shù)據(jù)分析能力顯著提高，是構(gòu)建面向?qū)嶓w的復(fù)雜數(shù)字孿生體的基礎(chǔ)支撐。
目前，企業(yè)內(nèi)部各部門數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)口徑不一、數(shù)據(jù)的自采率和實(shí)時(shí)性不高等問題普遍存在，影響了企業(yè)數(shù)字孿生刻畫的精確度?；谏疃葘W(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等新興機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的引進(jìn)，實(shí)現(xiàn)多維異構(gòu)數(shù)據(jù)的深度特征提取，大大提升了數(shù)據(jù)分析效率，促使構(gòu)建面向企業(yè)的復(fù)雜數(shù)字孿生體成為可能。
仿真模擬技術(shù)從初期的有限元分析對(duì)物理場(chǎng)的仿真，發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)復(fù)雜實(shí)體組織的仿真。有限元分析主要注重于某個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，比如說實(shí)物的應(yīng)力或疲勞等，但物理現(xiàn)象通常都不是獨(dú)自存在的，比如說只要運(yùn)動(dòng)便會(huì)產(chǎn)生熱，而熱反過來又影響一些材料屬性。這種物理系統(tǒng)的耦合就是多物理場(chǎng)，分析復(fù)雜度要比獨(dú)自分析一個(gè)物理場(chǎng)大得多。而由于實(shí)體組織更為復(fù)雜，除去傳統(tǒng)的物理特性外，還涉及到復(fù)雜的業(yè)務(wù)因素，如針對(duì)工業(yè)制造企業(yè)需要面向人、機(jī)、料、法、環(huán)、財(cái)?shù)戎T多要素，且要考慮相互之間的復(fù)雜關(guān)系，需要依靠分布式仿真、交互式仿真、智能Agent等網(wǎng)絡(luò)模型的不斷迭代發(fā)展。
4、數(shù)字孿生應(yīng)用前景廣泛
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(duì)數(shù)字孿生模型的分析，來改善其對(duì)應(yīng)的現(xiàn)實(shí)目標(biāo)的性能和運(yùn)行效率。
從實(shí)際情況看，實(shí)物的數(shù)字孿生可以提高工業(yè)產(chǎn)品在研發(fā)、運(yùn)維等生命周期內(nèi)的效益。實(shí)物數(shù)字孿生應(yīng)用的價(jià)值是通過虛實(shí)融合、虛實(shí)映射，持續(xù)改善產(chǎn)品的使用性能，提升產(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”，進(jìn)而提升產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。與此同時(shí)，通過對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝等各方面的不斷改進(jìn)，降低產(chǎn)品成本，協(xié)助企業(yè)提升盈利能力。
例如美國通用公司在其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)Predix上運(yùn)用實(shí)物的數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)航空發(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)廢回收再運(yùn)用生命周期，可以根據(jù)產(chǎn)品的使用履歷、檢修物料清單和更換備用件的記錄，結(jié)合數(shù)字孿生模型的仿真結(jié)果，辨別零件的健康情況。
以企業(yè)組織實(shí)體為目標(biāo)的數(shù)字孿生能大幅度提升企業(yè)整體的數(shù)字化、智能化經(jīng)營水平，實(shí)現(xiàn)降本增效。許多企業(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(dú)立，實(shí)際上形成了企業(yè)內(nèi)部大量的“數(shù)據(jù)孤島”，管理層難以及時(shí)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(jì)思路多為模擬企業(yè)的實(shí)體業(yè)務(wù)過程及線下操作的動(dòng)作，如各種單據(jù)、表樣、流程等，而不是構(gòu)建實(shí)體業(yè)務(wù)的數(shù)字化模型。因此形成了大量的冗余數(shù)據(jù)，一致性也較差。
通過多維建模，企業(yè)數(shù)字孿生通過構(gòu)建企業(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。
數(shù)字孿生技術(shù)也正慢慢在更廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。數(shù)字孿生城市已變成支撐智慧城市建設(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，通過數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)三維城市模型和協(xié)作數(shù)據(jù)平臺(tái)。在英國推動(dòng)的“數(shù)字英國”戰(zhàn)略項(xiàng)目中，信息管理框架變成英國國家級(jí)數(shù)字孿生體的核心技術(shù)載體。
可以預(yù)見，伴隨著全新一代信息技術(shù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合進(jìn)程的加快，企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求的提升，政策的不斷支持，數(shù)字孿生將為工業(yè)制造、未來生活帶來無限的可能。