數(shù)字孿生技術(shù)：從酷炫到普及有多遠

徐恒

最近一段時間，數(shù)字孿生技術(shù)一直戴著光環(huán)被工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)界所探討。但從國內(nèi)的實踐來看，成功應(yīng)用并給企業(yè)發(fā)展帶來實質(zhì)性好處的案例并不多見。一方面，企業(yè)覺得技術(shù)很酷炫;另一方面，企業(yè)覺得該技術(shù)成本高的同時，對實時數(shù)據(jù)依賴生強，一旦數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，結(jié)論也不可靠，應(yīng)用風(fēng)險大。數(shù)字孿生技術(shù)到底是不是華而不實的鏡中花成為業(yè)界討論的熱點話題。技術(shù)處于創(chuàng)新觸發(fā)階段

盡管Gartner曾在2018年將數(shù)字李生列為當(dāng)年的十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢之一，但數(shù)字孿生并不是一項全新的技術(shù)。

早在NASA的阿波羅項目中，NASA就制造了兩個完全相同的空間飛行器，可謂物理孿生，留在地球上的飛行器稱為孿生體（twin）。這個孿生體，在飛行準(zhǔn)備期間被應(yīng)用于訓(xùn)練;在任務(wù)執(zhí)行期間進行仿真實驗，該孿生體盡可能精確地反映和預(yù)測正在執(zhí)行任務(wù)的空間飛行器的狀態(tài)，從而輔助航天員在緊急情況下做出最正確的決策。

而數(shù)字孿生，則是通過實體和虛體之間的映射，及時、準(zhǔn)確、深入地在虛體世界反映實體狀態(tài)和為。

“數(shù)字孿生是指在數(shù)字化時代，通過數(shù)字化來描述整個產(chǎn)品的設(shè)計、開發(fā)、制造和服務(wù)的全生命周期過程，并通過數(shù)字化的手段連接產(chǎn)品生產(chǎn)制造和運行環(huán)境，實時反映產(chǎn)品的狀態(tài)，達到‘與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達的數(shù)字孿生效果?！北本┧鳛樵凭W(wǎng)科技有限公司數(shù)字孿生部經(jīng)理尚煒向《中國電子報》記者表不。

2012年，NASA發(fā)布的“建模、仿真、信息技術(shù)和處理”路線圖中，數(shù)字孿生被正式帶人公眾的視野。之后，數(shù)字孿生從概念模型階段步入初步的規(guī)劃與實施階段。2015年，美國GE公司計劃基于數(shù)字孿生，并通過Predix平臺，采用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進技術(shù)，實現(xiàn)對發(fā)動機的實時監(jiān)控、及時檢查和預(yù)測性維護。

最近幾年來，數(shù)字孿生在理論層面和應(yīng)用層面均取得了快速發(fā)展，同時應(yīng)用范圍也逐漸從產(chǎn)品設(shè)計階段向產(chǎn)品制造和運維服務(wù)等階段轉(zhuǎn)移。模型輕量化、MBD、基于物理的建模等模型數(shù)字化表達技術(shù)逐漸成熟并得到廣泛應(yīng)用，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息與通信技術(shù)的快速普及與應(yīng)用，大規(guī)模計算、高性能計算、分布式計算等計算機科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，以及機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等智能優(yōu)化算法的不斷涌現(xiàn)，使得產(chǎn)品動態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集、可靠與快速傳輸、存儲、分析、決策、預(yù)測等成為可能，為虛擬空間和物理空間的實時關(guān)聯(lián)與互動提供了重要的技術(shù)支撐，數(shù)字孿生的形態(tài)和概念不斷豐富。

不過，在應(yīng)用方面，數(shù)字孿生還有很長的路要走。

“數(shù)字孿生技術(shù)目前處于創(chuàng)新觸發(fā)階段，這本身就意味著低使用率，目前主要局限于研究機構(gòu)和公司的研發(fā)部門。從技術(shù)周期的規(guī)律來看，新興技術(shù)可能要在未來的5～10年才能達到被廣泛應(yīng)用的程度?！鄙袩槺硎?，“數(shù)字孿生技術(shù)有著諸多的技術(shù)難點，從落地的角度來看，發(fā)展還處于起步階段。有一件事是肯定的：數(shù)字孿生將會在未來幾年里以不同的解決方案來應(yīng)對不同的挑戰(zhàn)。盡管數(shù)字孿生尚處于發(fā)展初期，也必然面對一些階段性的問題，但前途無疑是光明的。”

中小企業(yè)為何用不起？

數(shù)字孿生通過實體和虛體之間的映射，使得企業(yè)可以基于實時數(shù)據(jù)進行設(shè)計迭代、故障診斷、流程優(yōu)化等，同時在實體世界中也可以借助虛體數(shù)據(jù)實現(xiàn)控制優(yōu)化、精準(zhǔn)執(zhí)行等。因此，數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域有著非常廣闊的應(yīng)用場景。

不過，從目前的發(fā)展情況來看，對數(shù)字孿生技術(shù)的大規(guī)模采用由大型制造公司主導(dǎo)。幾乎所有的行業(yè)都可采用某種形式的數(shù)字孿生技術(shù)，但興趣最大的可能是工業(yè)設(shè)備（如加熱和冷卻系統(tǒng)、泵送液壓系統(tǒng)等）和能源行業(yè)（如風(fēng)力渦輪機、石油和天然氣等）。

“數(shù)字孿生技術(shù)最初將應(yīng)用在高價值領(lǐng)域，以證明部署成本是合理的。高價值領(lǐng)域往往代表著昂貴的設(shè)備，而這些成本只有大企業(yè)才能負(fù)擔(dān)得起?！鄙袩槺硎?。

從國外一些研究數(shù)字孿生技術(shù)的先驅(qū)來看，現(xiàn)階段走在前列的多是像GE、西門子、PTC、ANSYS這樣的大企業(yè)。

不過，除了成本這一因素外，中小企業(yè)數(shù)字化程度不高也是關(guān)鍵的原因。

“與國外發(fā)達國家相比，廣大國內(nèi)企業(yè)，尤其是中小企業(yè)，目前還處于工業(yè)化升級、信息化補課的階段，數(shù)字化水平普遍較低，這些都極大制約了數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用普及。因此，數(shù)字孿生技術(shù)沒有出現(xiàn)爆發(fā)式增長并不是技術(shù)本身的問題，而是我們目前還不具備大規(guī)模應(yīng)用普及數(shù)字孿生的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)?！焙教煸凭W(wǎng)天智公司總經(jīng)理紀(jì)豐偉在接受《中國電子報》記者采訪時表示，“目前國內(nèi)外數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用得比較好的企業(yè)主要是數(shù)字化水平高、有一定網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)、存在智能化轉(zhuǎn)型升級的大企業(yè)，這與企業(yè)自身的基礎(chǔ)有一定關(guān)系?！?/p>

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺激活數(shù)字孿生生命

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的推進與應(yīng)用，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為智能制造深化應(yīng)用提供了信息物理融合、交互和應(yīng)用的基礎(chǔ)。業(yè)界專家認(rèn)為，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺激活了數(shù)字孿生的生命。

“數(shù)字孿生的核心是在合適的時間、合適的場景，做基于數(shù)據(jù)的實時正確的決定。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺天生具有的雙向通路特征，使得數(shù)字孿生真正成為一個有生命力的模型?！蔽靼搽娮涌萍即髮W(xué)智能制造與工業(yè)大數(shù)據(jù)研究中心主任孔憲光說。

據(jù)介紹，數(shù)字孿生是工業(yè)App的完美搭檔，工業(yè)App可以調(diào)用數(shù)字孿生，一個數(shù)字孿生也可以支持多個App。將數(shù)字孿生作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的知識萃取工具，通過單元級、系統(tǒng)級的數(shù)字孿生體，不斷將工業(yè)系統(tǒng)中的碎片化知識產(chǎn)生并封裝到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺中，將知識顆粒按照個體級、群體級、產(chǎn)業(yè)鏈級（社區(qū)級）重新組裝，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的App體系放大傳播。因此，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是數(shù)字孿生的孵化床，數(shù)字孿生是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的重要場景。

對于目前數(shù)字孿生技術(shù)而言，其應(yīng)用水平也與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺息息相關(guān)。

“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的推廣應(yīng)用使得實體和虛體的映射更為可行和緊密，從而進一步加速推動了數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用。但工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展目前還處于產(chǎn)業(yè)早期，物連接的數(shù)量和質(zhì)量還有待提高，同時企業(yè)應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還主要集中在智能化改造、能耗監(jiān)控、設(shè)備征信等初級場景，距離數(shù)字孿生這類高級應(yīng)用還有一定距離?！奔o(jì)豐偉表示。

此外，他還認(rèn)為，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展會促進中小企業(yè)集體性加快信息化的步伐和自動化水平的提升，并給中小企業(yè)帶來虛實結(jié)合的平臺基礎(chǔ)，因此工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展給中小企業(yè)應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)帶來了更多的可能性。