數(shù)字孿生：虛擬與現(xiàn)實之間的星火

文|互聯(lián)網(wǎng)江湖

上帝按照自己的樣子創(chuàng)造出了人類，而人類想要根據(jù)實體世界的樣子創(chuàng)造出數(shù)字孿生。

基于工業(yè)界及學術(shù)界對數(shù)字孿生的定義，《智能制造術(shù)語解讀》將數(shù)字孿生技術(shù)定義為：是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。

相信很多人都聽說過數(shù)字孿生。在過去幾年，數(shù)字孿生技術(shù)的熱度不斷攀升，備受行業(yè)內(nèi)外的關(guān)注。據(jù)天眼查專業(yè)版APP顯示，數(shù)字孿生相關(guān)的企業(yè)已經(jīng)有將近六百家。

但是除了一些晦澀難懂、 詰屈聱牙的概念外，大部分人對于數(shù)字孿生并沒有一個清晰全面的認知，到底該如何認識并掌握它，成為企業(yè)在數(shù)字化時代的一道難題。

“瘋狂”的數(shù)字孿生

數(shù)字孿生，英文名叫Digital Twin（數(shù)字雙胞胎）。也被稱為數(shù)字映射、數(shù)字鏡像。

2002年的時候，從事產(chǎn)品生命周期管理PLM的Michael Grieves教授，在一次產(chǎn)品生命周期管理課程中提出了鏡像空間模型：與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達。（雖然沒有書面證據(jù)，但這仍被廣泛認為是數(shù)字孿生最早來源）

到2010年，美國宇航局NASA首次提出了“數(shù)字孿生”的概念，通過虛擬化、仿真技術(shù)以及飛行器的實時狀態(tài)、歷史維護、健康管理等數(shù)據(jù)，利用數(shù)字技術(shù)對各種物理孿生對象進行替代，以適應現(xiàn)階段深空探索的需要。大家以為這就是數(shù)字孿生的起源嗎？

不，數(shù)字孿生的源頭其實是物理孿生（Physical Twin）。

美國宇航局在上世紀六七十年代的阿波羅計劃中，曾經(jīng)建造有多艘相同的太空飛行器，就像“孿生多胞胎”。在飛行準備過程中，孿生體被大量用于訓練；在飛行任務期間，則被用來模擬在地球模型上的備選方案，其中有效的飛行數(shù)據(jù)就被用來較為精確地反映飛行條件，從而在危急情況下協(xié)助宇航員做出正確判斷。

隨著ICT技術(shù)的發(fā)展，最初的“物理孿生” 實體，被越來越多的數(shù)字模型部件取代，并擴展至產(chǎn)品的全生命周期，直至形成與物理實體完全一致的數(shù)字孿生模型。數(shù)字孿生的出現(xiàn)，讓物理實體有了一個超級新替身。此后，工業(yè)制造成為數(shù)字孿生的孵化器。

西門子可以說是數(shù)字孿生的忠實擁泵，用數(shù)字孿生貫穿了產(chǎn)品生命周期各環(huán)節(jié)間的數(shù)據(jù)模型。用數(shù)字孿生仿真模擬工廠的一些實際操作流程，從產(chǎn)品設計到產(chǎn)線設計，到設備制造方的機械設計和工廠的規(guī)劃排產(chǎn)，到最后制成產(chǎn)品。比如數(shù)字自優(yōu)化工具、用于減少和計劃停機時間的預測性維護工具以及用于機床安全和運行的智能輔助系統(tǒng)，提升機床生產(chǎn)效率和可靠性。

基于物理實體與虛擬鏡像之間的強關(guān)聯(lián)，數(shù)字孿生為工業(yè)場景帶來了解決問題的全新視角。通過將各種顯性知識與隱性知識、結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化知識結(jié)合，激活工業(yè)積累多年的沉默知識和數(shù)據(jù)資產(chǎn)，將實時以及準實時的動態(tài)運行數(shù)據(jù)記錄疊加傳統(tǒng)工業(yè)模型，構(gòu)建工業(yè)數(shù)字孿生，幫助人們重新認識、管理工業(yè)制造。可以說，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)激活了數(shù)字孿生的生命。

如同蒲公英一般，數(shù)字孿生在工業(yè)制造這片沃土上逐漸長成，此后種子被風吹向了各個行業(yè)、各個領(lǐng)域。

比如在基建工程領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)可以即時訪問已經(jīng)設計和建立的建筑模型并進行實時同步，這樣就可以根據(jù)4D BIM模型中列出的時間表即時監(jiān)控進度。也可以使用模型預測控制，核實工作量百分比并明確項目實施進程，基于建筑物正向模擬做出決策。

在智慧城市領(lǐng)域，不同于制造業(yè)的“產(chǎn)品生命周期”，城市作為一個復雜的巨系統(tǒng)，“生命周期”更長，而且其“生命周期”時刻都在產(chǎn)生著多維的海量數(shù)據(jù)。因此，城市數(shù)字孿生在數(shù)據(jù)收集、處理、運算、儲存和管理上的部署難度也更大。

挑戰(zhàn)之中也蘊含著潛在的機遇，激勵先行者們?nèi)ゲ粩嗯实?。阿里云的城市大腦、騰訊提出的“數(shù)字政府”、百度的AI City、華為的“城市智能生命體”，以及海爾旗下海納云的BIMCloud數(shù)字孿生平臺、平安科技的智慧城市云、浪潮的智慧城市大腦……無不在智慧城市的基礎上增加了針對數(shù)字孿生的內(nèi)容。

就連元宇宙也和數(shù)字孿生攀上了親戚。當然，兩者本來就存在著密切聯(lián)系，兩者都脫胎于現(xiàn)實世界、又與現(xiàn)實世界相互影響。從最終導向來看，元宇宙更加偏向于始終在線的虛擬世界，而數(shù)字孿生更強調(diào)強調(diào)對現(xiàn)實世界的仿真。

元宇宙是個比數(shù)字孿生更龐大、更復雜的體系。在1992年，Metaverse作為科幻概念就已經(jīng)被首次提出，如今才漸漸興起，離成熟更加遙遠。而數(shù)字孿比元宇宙晚誕生了將近十年，但已經(jīng)在各個領(lǐng)域開花甚至結(jié)果，未來大概率也會在元宇宙之中生長。

世界是由物質(zhì)、信息和能量組成，人們往往更在意物質(zhì)實體和能量的價值，反而忽視信息。比如在工業(yè)領(lǐng)域，一臺設備的估價和一套軟件幾乎是天壤之別，軟件經(jīng)常和機器捆綁銷售，看上去像“免費贈送”一般。

密歇根大學Mr.Grieves教授在《虛擬完美模型：驅(qū)動創(chuàng)新與精益產(chǎn)品》一書中曾經(jīng)提到：“信息是被浪費的物理資源的替代品”。

數(shù)字孿生的出現(xiàn)讓人們真正開始認識到信息與數(shù)字的價值，提前預見物理實體的正確性，避免在現(xiàn)實世界做無謂的冒險與高成本的浪費。本質(zhì)上來說，數(shù)字孿生是一種數(shù)字信息代替物理實體的彩排，讓數(shù)字化價值真正得到體現(xiàn)。

數(shù)字孿生：孿生數(shù)字化過程的中間態(tài)

實際上，我們?nèi)匀徊荒苡谩皵?shù)字孿生”這四個字完全代替該技術(shù)，而是應該把它看作孿生數(shù)字化技術(shù)過程的中間態(tài)，是一個過渡階段而已。在互聯(lián)網(wǎng)江湖看來，數(shù)字孿生大致有五個發(fā)展階段，分別為物理孿生、復制孿生、數(shù)字孿生、決策孿生、智能孿生等。

物理孿生階段，用實體“孿生”實體，成本高昂。除了上面提到的美國宇航局的實踐外，工業(yè)領(lǐng)域在規(guī)?；a(chǎn)之前，制作的物理樣機，需要準確表達模型訴求，將生產(chǎn)預見性前移，這也屬于物理孿生的一種。

復制孿生階段，開始把“孿生”轉(zhuǎn)移到數(shù)字虛擬層面，這時候就需要能夠充分利用歷史數(shù)據(jù)以及實時運行數(shù)據(jù)，對一個產(chǎn)品或者系統(tǒng)實現(xiàn)精準、全面的映射，并且全部轉(zhuǎn)化為信息儲存。這時候相當于造出來了數(shù)字化雙胞胎的一個肉體，但仍然缺乏最為關(guān)鍵的靈魂，它不能用來控制分析，只能顯示。

數(shù)字孿生階段，也就是目前正在研究的階段，能夠根據(jù)物理本體的物理設計模型，還有本體傳感器反饋的實時數(shù)據(jù)，以及本體此前運行的歷史數(shù)據(jù)，做到動態(tài)仿真。比如對智慧城市進行全域感知和實時更新，形成真正的虛擬全息城市。

決策孿生階段，需要對過往積累的數(shù)據(jù)精細化尺度感知，模擬未來不同的外界因素、不同的環(huán)境背景下的發(fā)展情景，從中學習、分析并總結(jié)出物理本體的運行規(guī)律，為決策者提供建議和參考。這時候提供的建議可能會較為理想而偏離現(xiàn)實，但也存在一定參考價值。

智能孿生階段，利用AI進行精準分析與規(guī)劃設計響應，并做出最有利的判斷與自主控制。也可以為參與者提供新的視角，甚至可以幫助人從傳統(tǒng)思維方式向大數(shù)據(jù)思維方式轉(zhuǎn)變，不過這仍然是一個較為遙遠的一個目標。

回到現(xiàn)實，目前的數(shù)字孿生階段仍然處于研究和探索探索階段，具體的應用場景大致可以分為兩類：虛擬仿真和監(jiān)測分析。

虛擬仿真往往是通過結(jié)合流體力學、熱力學、光學、電子等原理，利用數(shù)字化計算機進行輔助設計和仿真，將現(xiàn)實世界中的物理本體（設備、建筑、城市等），在數(shù)字空間映射出孿生體?？梢灶A測和驗證孿生體在虛擬環(huán)境下的系統(tǒng)表現(xiàn)，進而保障設計質(zhì)量和魯棒性。這一應用主要是落地于設計，從而支持工程師進行產(chǎn)品創(chuàng)新或系統(tǒng)改進，代表性的有安世亞太、AspenTech、Ansys等廠商。

檢測分析涉及到物理實體真實運行狀態(tài)的監(jiān)測和評估。需要使用大量真實環(huán)境的動態(tài)數(shù)據(jù)，在真實運行過程中，通過傳感器數(shù)據(jù)采集，判斷環(huán)境變化、系統(tǒng)狀態(tài)，實現(xiàn)對未來運行狀態(tài)的監(jiān)測、分析、評估和預警。代表性的有和利時、寄云科技、PTC Thingworx、等。

本質(zhì)上，虛擬仿真和檢測分析代表的是兩種不同的數(shù)據(jù)流向重心。虛擬仿真的重點在于物理本體向?qū)\生體輸出足夠精確全面的數(shù)據(jù)，盡量減少虛擬仿真所帶來的誤差。而檢測分析的重點在于孿生體向本體所反饋的數(shù)據(jù)信息要足夠精準，然后對物理本體做出正確的干預。

未來隨著數(shù)字孿生技術(shù)成熟，企業(yè)發(fā)展數(shù)字孿生的難點或許已經(jīng)不再是數(shù)字孿生本身，而是數(shù)字孿生技術(shù)與本行業(yè)的結(jié)合度能夠有多高。

這就需要企業(yè)擁有“倒T型”能力。一方面，橫向拓展，掌握本行業(yè)的知識經(jīng)驗體系，打好行業(yè)地基。另一方面，掌握數(shù)字孿生技術(shù)，并尋找數(shù)字孿生和行業(yè)相結(jié)合的機會點。如果把數(shù)字孿生比作一顆釘子，落地的行業(yè)比作一塊木板，關(guān)鍵就在于能不能找到合適的錘子，讓這顆釘子深深扎進去。

寫在最后

未來幾年，以數(shù)字孿生為核心的產(chǎn)業(yè)將如雨后春筍般出現(xiàn)，數(shù)字孿生也將成為企業(yè)的標配。但是技術(shù)之外，數(shù)字孿生仍然面臨著制度、管理、人才等各方面的挑戰(zhàn)，而這些因素的背后，本質(zhì)上更是一種思維方式的進化，數(shù)字孿生發(fā)展需要思維先行。

同時，也需要警惕數(shù)字孿生的概念化陷阱。不能為了數(shù)字孿生而數(shù)字孿生，畢竟數(shù)字孿生本身并不會主動釋放價值，也無法單獨作為生產(chǎn)力而存在，如果只是單純的推銷數(shù)字孿生的概念，也將如夢幻泡影而隨時面臨破滅的風

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審核編輯 黃昊宇