數(shù)字孿生是物理設(shè)備的虛擬副本，數(shù)據(jù)科學(xué)家和IT專(zhuān)業(yè)人員可以在實(shí)際設(shè)備構(gòu)建和部署之前使用其來(lái)運(yùn)行模擬。數(shù)字孿生還可以獲取實(shí)時(shí)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，并應(yīng)用人工智能和數(shù)據(jù)分析來(lái)優(yōu)化性能。

數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)超越了制造業(yè)，進(jìn)入了物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和數(shù)據(jù)分析的融合世界。

隨著越來(lái)越復(fù)雜的“事物”相互連接，并具有生成數(shù)據(jù)的能力，擁有數(shù)字等效物使數(shù)據(jù)科學(xué)家和其他IT專(zhuān)業(yè)人員能夠優(yōu)化部署以實(shí)現(xiàn)最高效率，并創(chuàng)建其他假設(shè)場(chǎng)景。

什么是數(shù)字孿生?

數(shù)字孿生是物理對(duì)象或系統(tǒng)的數(shù)字表示。數(shù)字孿生背后的技術(shù)已經(jīng)擴(kuò)展到建筑、工廠甚至城市，一些人認(rèn)為甚至人和流程也可以擁有數(shù)字孿生，這進(jìn)一步擴(kuò)展了這個(gè)概念。

數(shù)字孿生的概念最早出現(xiàn)在美國(guó)宇航局:早期太空艙的全尺寸模型，在地面上用于鏡像和診斷軌道上的問(wèn)題，最終讓位于全數(shù)字模擬。

但在Gartner將數(shù)字孿生列為2017年十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢(shì)之一后，這個(gè)詞才真正流行起來(lái)，并表示在三到五年內(nèi)，“數(shù)十億事物將由數(shù)字孿生代表，這是一種物理事物或系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)軟件模型”。一年后，Gartner再次將數(shù)字孿生列為最主要的趨勢(shì)，并表示“到2020年，預(yù)計(jì)將有210億個(gè)連接的傳感器和端點(diǎn)，且在不久的將來(lái)，數(shù)字雙孿生將存在于數(shù)十億件事物中。”

從本質(zhì)上講，數(shù)字孿生是一種計(jì)算機(jī)程序，其將關(guān)于物理對(duì)象或系統(tǒng)的真實(shí)數(shù)據(jù)作為輸入，并輸出預(yù)測(cè)或模擬物理對(duì)象或系統(tǒng)將如何受到這些輸入的影響。

數(shù)字孿生如何工作?

數(shù)字孿生最初是由專(zhuān)家構(gòu)建，通常是數(shù)據(jù)科學(xué)或應(yīng)用數(shù)學(xué)方面的專(zhuān)家。這些開(kāi)發(fā)人員研究被模仿的物理對(duì)象或系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，并使用這些數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)一個(gè)數(shù)學(xué)模型，在數(shù)字空間中模擬真實(shí)世界的原始模型。

孿生的構(gòu)造使其可以接收來(lái)自傳感器的輸入，這些傳感器從現(xiàn)實(shí)世界的對(duì)應(yīng)物收集數(shù)據(jù)。這允許孿生實(shí)時(shí)模擬物理對(duì)象，在此過(guò)程中提供對(duì)性能和潛在問(wèn)題的洞察。孿生也可以基于其物理對(duì)應(yīng)物的原型進(jìn)行設(shè)計(jì)，在這種情況下，孿生可以在產(chǎn)品改進(jìn)時(shí)提供反饋;在構(gòu)建任何物理版本之前，孿生甚至可以作為原型本身。

數(shù)字孿生可以是復(fù)雜或簡(jiǎn)單的，用于構(gòu)建和更新其的數(shù)據(jù)量將決定模擬物理對(duì)象的精確程度。如，以汽車(chē)數(shù)字孿生為例，只需要幾個(gè)輸入變量就可以計(jì)算里程。

數(shù)字孿生與模擬

術(shù)語(yǔ)模擬和數(shù)字孿生經(jīng)常互換使用，但它們是不同的東西。模擬是用CAD系統(tǒng)或類(lèi)似的平臺(tái)設(shè)計(jì)的，可以進(jìn)行模擬，但可能不會(huì)與真實(shí)的物理對(duì)象進(jìn)行一對(duì)一的模擬。相比之下，數(shù)字孿生是基于真實(shí)設(shè)備上物聯(lián)網(wǎng)傳感器的輸入構(gòu)建的，這意味著其復(fù)制了現(xiàn)實(shí)世界的系統(tǒng)，并隨著時(shí)間的推移而改變。模擬往往用于產(chǎn)品生命周期的設(shè)計(jì)階段，試圖預(yù)測(cè)未來(lái)產(chǎn)品的工作方式，而數(shù)字孿生提供了業(yè)務(wù)的各個(gè)部分，了解其已經(jīng)使用的某些產(chǎn)品或系統(tǒng)現(xiàn)在是如何工作的。

數(shù)字孿生用例

在數(shù)字孿生示例中，汽車(chē)和貨船提供了一種潛在用例的感覺(jué)。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、火車(chē)、海上石油平臺(tái)和渦輪機(jī)等物體可以在實(shí)際生產(chǎn)之前進(jìn)行數(shù)字設(shè)計(jì)和測(cè)試。這些數(shù)字孿生也可以用來(lái)幫助維護(hù)操作。例如，技術(shù)人員可以在應(yīng)用修復(fù)之前使用數(shù)字孿生來(lái)測(cè)試設(shè)備的擬議修復(fù)是否有效。

數(shù)字孿生商業(yè)應(yīng)用存在于許多領(lǐng)域：

• 正如Deloitte的案例研究所示，制造業(yè)是數(shù)字孿生技術(shù)推廣最深入的領(lǐng)域，工廠已經(jīng)在使用數(shù)字孿生模型來(lái)模擬其流程。
• 汽車(chē)數(shù)字孿生之所以成為可能，是因?yàn)槠?chē)已經(jīng)安裝了遙測(cè)傳感器，但隨著越來(lái)越多的自動(dòng)駕駛汽車(chē)上路，改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)將變得更加重要。
• 醫(yī)療保健是一個(gè)可以產(chǎn)生數(shù)字孿生的行業(yè)。創(chuàng)可貼大小的傳感器可以將健康信息發(fā)送回?cái)?shù)字孿生，用于監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)患者的健康狀況。

數(shù)字孿生有哪些類(lèi)型?

IBM提供的分類(lèi)方案不是基于特定的行業(yè)，而是基于孿生對(duì)象的復(fù)雜性。這提供了一種有用的方法來(lái)考慮特定用例中的需求，并讓我們了解數(shù)字孿生可以做什么:

• 組件或部件孿生模擬功能組件的最小示例。
• 資產(chǎn)孿生模擬兩個(gè)或多個(gè)組件一起工作，并可研究其之間的交互。
• 系統(tǒng)或單元孿生可查看多個(gè)系統(tǒng)資產(chǎn)如何協(xié)同工作，例如模擬整個(gè)生產(chǎn)線。
• 流程孿生采用系統(tǒng)協(xié)同工作的絕對(duì)頂層視圖，可了解整個(gè)工廠的運(yùn)行方式。

值得注意的是，向組合中添加更多組件會(huì)增加復(fù)雜性。特別是，混合和匹配來(lái)自不同制造商的組件可能會(huì)很困難，因?yàn)檫@需要每個(gè)人的知識(shí)產(chǎn)權(quán)才能在數(shù)字孿生世界中很好地協(xié)同工作。

數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng)

顯然，物聯(lián)網(wǎng)傳感器的激增是數(shù)字孿生成為可能的部分原因。隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的不斷完善，數(shù)字孿生場(chǎng)景可以包含更小、更簡(jiǎn)單的對(duì)象，從而為企業(yè)帶來(lái)更多好處。

數(shù)字孿生可以用來(lái)預(yù)測(cè)基于可變數(shù)據(jù)的不同結(jié)果。這類(lèi)似于科幻電影中經(jīng)常出現(xiàn)的運(yùn)行模擬場(chǎng)景，即在數(shù)字環(huán)境中驗(yàn)證可能的場(chǎng)景。通過(guò)額外的軟件和數(shù)據(jù)分析，數(shù)字孿生通常可以優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)部署，以實(shí)現(xiàn)最大效率，并幫助設(shè)計(jì)師在物理部署之前確定事物應(yīng)該去哪里或如何運(yùn)作。

數(shù)字孿生復(fù)制物理對(duì)象的次數(shù)越多，效率和其他好處就越有可能被發(fā)現(xiàn)。例如，在部署了高度儀器化設(shè)備的制造業(yè)中，數(shù)字孿生可以模擬設(shè)備隨著時(shí)間的推移的性能，這有助于預(yù)測(cè)未來(lái)的性能和可能的故障。

數(shù)字孿生與預(yù)測(cè)孿生

Network World撰稿人Deepak Puri最近概述了一個(gè)Oracle數(shù)字孿生工具示例，該工具為用戶提供兩種選擇——數(shù)字孿生和預(yù)測(cè)孿生。

“數(shù)字孿生”可以包括設(shè)備的描述、3D渲染和設(shè)備中所有傳感器的詳細(xì)信息。其不斷生成模擬現(xiàn)實(shí)生活選項(xiàng)的傳感器讀數(shù)。”

Puri寫(xiě)道，預(yù)測(cè)孿生“模擬了設(shè)備未來(lái)的狀態(tài)和行為”。“這是基于其他設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)，可以模擬故障和其他需要注意的情況。”

作為其數(shù)字孿生計(jì)劃的一部分，Microsoft正在將這一概念應(yīng)用到物理產(chǎn)品之外的流程中。在一份白皮書(shū)中，Microsoft提出了數(shù)字進(jìn)程孿生的想法:

Microsoft表示:“過(guò)程數(shù)字孿生是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的下一個(gè)階段，將產(chǎn)品數(shù)字孿生的好處結(jié)合到整個(gè)工廠和供應(yīng)鏈中。”白皮書(shū)強(qiáng)調(diào)了一些先進(jìn)的制造場(chǎng)景，這些場(chǎng)景是產(chǎn)品數(shù)字孿生不支持的，但過(guò)程數(shù)字孿生會(huì)支持。

數(shù)字孿生的好處與風(fēng)險(xiǎn)

數(shù)字孿生可以實(shí)時(shí)查看物理資產(chǎn)的情況，從而從根本上減輕維護(hù)負(fù)擔(dān)。Chevron正在為其油田和煉油廠推出數(shù)字孿生技術(shù)，預(yù)計(jì)將節(jié)省數(shù)百萬(wàn)美元的維護(hù)成本。Siemens在其宣傳中表示，使用數(shù)字孿生對(duì)尚未制造出來(lái)的產(chǎn)品進(jìn)行建模和原型設(shè)計(jì)，可以減少產(chǎn)品缺陷，并縮短上市時(shí)間。

但請(qǐng)記住，Gartner警告到，數(shù)字孿生并不總是必要的，而且可能會(huì)不必要地增加復(fù)雜性。“對(duì)于特定的業(yè)務(wù)問(wèn)題，數(shù)字孿生可能是一種過(guò)度的技術(shù)。還有成本、安全、隱私和集成方面的擔(dān)憂。”