我相信很多人都聽聞過數(shù)字孿生。在過去的幾年里，這個詞的關(guān)注度不斷地飆升，經(jīng)常出現(xiàn)在各種峰會論壇的演講主題當中，深受行業(yè)內(nèi)外的特別關(guān)注。到底何為數(shù)字孿生？它又是誰提出來的？它會給人們的生活帶來怎樣的變化？
一、數(shù)字孿生究竟是什么？
數(shù)字孿生，英文名為DigitalTwin(數(shù)字雙胞胎)，也稱之為數(shù)字映射、數(shù)字鏡像。它的官方定義十分復雜：
數(shù)字孿生是充分運用物理模型、傳感器更新、運作歷史等數(shù)據(jù)信息，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的模擬仿真過程，在虛擬空間中進行映射，進而反映對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。簡便而言，數(shù)字孿生便是在一個設(shè)備或系統(tǒng)的基礎(chǔ)上創(chuàng)建一個數(shù)字版的“克隆體”。這個“克隆體”也稱之為“數(shù)字孿生體”。
它被創(chuàng)建在信息化平臺上，是虛擬的。數(shù)字孿生體最大的特性就在于：它是對實體目標(本體)的動態(tài)模擬仿真。這也就是說，數(shù)字孿生體是會“動”的。它“動”的依據(jù)來自于本體的物理設(shè)計模型，還有就是本體上面?zhèn)鞲衅鞣答伒臄?shù)據(jù)信息，以及本體運作的歷史數(shù)據(jù)。倘若需要做系統(tǒng)設(shè)計變動，或者需要知道系統(tǒng)在特殊外部條件下的反應(yīng)，工程師們可以在孿生體上進行“實驗”。如此一來，既避免了對本體的影響，還可以提高效率、節(jié)約成本。除去“會動”之外，正確理解數(shù)字孿生還需要記住三個關(guān)鍵詞，分別是“全生命周期”、“實時/準實時”、“雙向”。
數(shù)字孿生是起源于工業(yè)界的概念。在工業(yè)制造領(lǐng)域，有個詞叫做“產(chǎn)品生命周期管理(PLM)”。全生命周期，指的是數(shù)字孿生可以貫穿產(chǎn)品包括設(shè)計、開發(fā)、制造、服務(wù)、維護甚至報廢回收的整個周期。它并不僅僅局限于協(xié)助企業(yè)把產(chǎn)品更好的造出來，還包括協(xié)助用戶更好的使用產(chǎn)品。而實時/準實時，指的是本體和孿生體之間，可以構(gòu)建全面的實時或準實時聯(lián)系。兩者之間并不是完全獨立的，映射關(guān)系也具有一定的實時性。雙向，指的是本體和孿生體之間的數(shù)據(jù)信息流動可以是雙向的。并不是只有本體向?qū)\生體輸出數(shù)據(jù)信息，孿生體也可以向本體反饋信息。企業(yè)可以根據(jù)孿生體反饋的信息，對本體采取更進一步的行動和干預。
二、數(shù)字孿生的歷史與實例
說到“數(shù)字孿生”這個概念的創(chuàng)造者，行業(yè)里并沒有明確的說法。許多 人覺得，數(shù)字孿生是美國密歇根大學教授MichaelGrieves博士于2002年提出的。但這種說法并沒有書面形式的文獻或資料可以支撐。MichaelGrieves博士在2014年發(fā)布的文章中，曾“追溯”自己曾在2002年密歇根大學PLM中心一次演講中，提及了類似于數(shù)字孿生的有關(guān)概念。他還“追溯”自己曾在2003年的一次高管培訓上，提出了“物理產(chǎn)品的數(shù)字等同體或數(shù)字孿生體概念”。然而，這些都沒有確鑿的文獻資料或影像資料證據(jù)。真正有據(jù)可查的“數(shù)字孿生”概念提出者，是美國空軍研究實驗室。
2011年3月，美國空軍研究實驗室結(jié)構(gòu)力學部門進行了一次演講，題目是“Condition-basedMaintenancePlusStructuralIntegrity(CBM+SI)&theAirframeDigitalTwin(基于狀態(tài)的維護+結(jié)構(gòu)完整性&戰(zhàn)機機體數(shù)字孿生)”，初次明確提及了數(shù)字孿生。在當時，AFRL希望完成戰(zhàn)機維護工作的數(shù)字化，而數(shù)字孿生是他們想出來的創(chuàng)新方法。
當美國空軍意識到數(shù)字孿生具備很強實用意義的同時，另一家企業(yè)也對數(shù)字孿生產(chǎn)生了濃郁的興趣，它便是美國通用電氣公司。美國通用電氣公司在為美國國防部提供F-35聯(lián)合戰(zhàn)機解決方案的時候，發(fā)覺了數(shù)字孿生體的價值。后來NASA將數(shù)字孿生的理念運用在阿波羅計劃中，開發(fā)設(shè)計了兩個相同的太空飛行器，以反映地球上太空的狀況，進行訓練和飛行準備。
數(shù)字孿生被Gartner評選為未來最為重要的十大關(guān)鍵技術(shù)之一，Gartner認為，到2021年，一半以上的大型工業(yè)公司將使用數(shù)字孿生，從而使這些組織的工作效率提升10%。
微軟推出了AzureDigitalTwin服務(wù)，可以構(gòu)建任何物理環(huán)境的數(shù)字模型，包括連接它們的人員、地點、事物、關(guān)系和流程，并與物理世界保持同步。通過AzureDigitalTwins，用戶可以在空間的語境中查看數(shù)據(jù)信息，該服務(wù)將成為AzureIoT平臺的一部分。阿里巴巴城市大腦則提出了“數(shù)字孿生交通”、“數(shù)字孿生城市”、“數(shù)字孿生生態(tài)”三個階段的數(shù)字孿生藍圖。
三、數(shù)字孿生的價值
1、工業(yè)制造
數(shù)字孿生技術(shù)可以在網(wǎng)絡(luò)空間中再現(xiàn)產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)，并使產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字空間模型和物理空間模型始終處于實時交互中，兩者之間可以及時地把握彼此的動態(tài)變化并實時地作出響應(yīng)，為實現(xiàn)智能制造提供了強有力的保障，同時也更進一步加快了智能制造與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)相融合。
近些年來，數(shù)字孿生這個前沿技術(shù)已經(jīng)獲得了工業(yè)界與學術(shù)界的廣泛性關(guān)注。全世界最具權(quán)威性的IT研究與顧問咨詢公司Gartner將數(shù)字孿生列入十大戰(zhàn)略性科技發(fā)展趨勢之一?，F(xiàn)階段，數(shù)字孿生主要被運用于制造業(yè)領(lǐng)域，國際數(shù)據(jù)公司表示現(xiàn)如今有40%的大型制造商都在運用這種虛擬仿真技術(shù)為生產(chǎn)過程建模，數(shù)字孿生已成為制造企業(yè)邁向工業(yè)4.0的解決方案。2020年，有210億個連接的傳感器和終端服務(wù)于數(shù)字孿生，在不久的將來數(shù)字化孿生將存在數(shù)十億種。
伴隨著工業(yè)4.0，智能制造等技術(shù)和發(fā)展戰(zhàn)略的不斷出臺，數(shù)字孿生技術(shù)逐漸成為了智能制造的一個基本要素，并獲得了各方的普遍性關(guān)注。洛克希德馬丁公司于2017年11月將數(shù)字孿生列入2018年未來國防和航天工業(yè)頂尖技術(shù)之首；英國國家基礎(chǔ)設(shè)施委員會于2017年12月發(fā)布《數(shù)據(jù)的公共利益報告》，提出創(chuàng)建一個與國家基礎(chǔ)設(shè)施相對應(yīng)的數(shù)字孿生體，并于2019年1月啟動相關(guān)計劃；Gartner公司連續(xù)3年(2017-2019年)將數(shù)字孿生列入當年十大戰(zhàn)略性科技發(fā)展趨勢之一。
黨的十九大報告明確指出要加快建設(shè)制造強國，《中國制造2025》指出“將智能制造作為兩化融合的主攻方向，推動生產(chǎn)過程智能化，培育新型生產(chǎn)方式，全面提升企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的智能化水平”。在這個背景下，數(shù)字孿生技術(shù)受到廣泛性關(guān)注，將引發(fā)巨大的發(fā)展?jié)摿Α?
2、智慧城市
如果物理世界是一個工廠，則對應(yīng)的數(shù)字世界是數(shù)字孿生工廠，如果物理世界是一個城市，那么對應(yīng)的數(shù)字世界即數(shù)字孿生城市。從工業(yè)引伸到城市，也是順理成章的結(jié)果，因為城市是數(shù)字化更大的舞臺，是由人與物件、事件構(gòu)成的繁雜巨系統(tǒng)，比工廠更為豐富多彩。城市發(fā)展時至今日仍面臨著比較嚴重的問題，傳統(tǒng)的發(fā)展模式已經(jīng)失效，以信息化為引擎的數(shù)字城市、智慧城市成為了城市發(fā)展的新理念和新模式。雖說數(shù)字城市的提出由來已久，但此前的概念并沒有上升到數(shù)字孿生的高度，這與技術(shù)發(fā)展的階段有關(guān)，目前數(shù)字孿生城市的內(nèi)涵，才真正的體現(xiàn)了數(shù)字城市想要實現(xiàn)的愿景目標。
智慧城市是數(shù)字城市發(fā)展的高級階段，數(shù)字孿生城市做為數(shù)字城市的目標，卻也是智慧城市建設(shè)的新起點，它是城市實現(xiàn)智慧的重要設(shè)施和基礎(chǔ)能力，是技術(shù)驅(qū)動下城市信息化從量變邁向質(zhì)變的轉(zhuǎn)折點。由點到線，由線到面，基于數(shù)字化標識、自動化感知、網(wǎng)絡(luò)化連接、智能化控制、平臺化服務(wù)等強大技術(shù)能力，使數(shù)字城市模型可以完整的浮出水面，做為一個孿生體與物理城市平行運轉(zhuǎn)，虛實融合蘊含無限的創(chuàng)新空間。
數(shù)字孿生城市的搭建將引發(fā)城市智能化管理和服務(wù)的重大顛覆式創(chuàng)新。設(shè)想一下，與物理城市對應(yīng)有一個數(shù)字孿生城市，物理城市所有的人、物件、事件、建筑、道路、設(shè)施等，都會在數(shù)字世界有虛擬映像，信息可見，軌跡可循，狀態(tài)可查，虛實同步運轉(zhuǎn)，情景交融，過去可追溯，未來可預期，當下知冷暖，見微知著，睹始知終，全市一盤棋盡在掌握，一切可管可控，管理扁平化、服務(wù)一站式，信息多跑路、人力少跑腿，虛擬服務(wù)現(xiàn)實、模擬仿真決策，精細化管理豈非容易，人性化服務(wù)豈非不難，城市智慧再不是空話。事實上，印度海德拉巴、新加坡，還有我們國家的深圳、雄安，都已經(jīng)在做這方面的探索和嘗試。大量的投資，正在涌入“智慧城市+數(shù)字孿生”的應(yīng)用場景。
阿里的“城市大腦”、“數(shù)字平行世界”，還有科大訊飛的“訊飛超腦”，都有涉及到智慧城市和數(shù)字孿生的結(jié)合。
3、基建工程
基建工程也是數(shù)字孿生的一個重要的應(yīng)用場景。尤其是對中國這個“基建狂魔”而言，引進數(shù)字孿生意義更為重大。我們在修建高速公路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施前，完成對工程的數(shù)字化建模，隨后在虛擬的數(shù)字空間對工程進行仿真和模擬，評估工程的結(jié)構(gòu)和承受能力，還可以導入流量數(shù)據(jù)，評估工程是否可以滿足投入使用后的需求。在工程交付之后，還可以在維護階段評估工程是否可以承擔特殊情況的壓力。以及檢測可能會出現(xiàn)的安全隱患。
除了以上所述領(lǐng)域之外，包含醫(yī)療、物流、環(huán)保等許多場景都適合運用數(shù)字孿生技術(shù)，應(yīng)用場景非常廣闊。