數(shù)字孿生：無限與多彩的應用場景

米 鶴

（中央廣播電視總臺，北京 100020）

1 連接現(xiàn)實與虛擬

看過影片《鋼鋼俠》的人肯定不會忘掉影片中一段非常經(jīng)典的畫面：托尼·史塔克在產(chǎn)品設計、改良和修復鋼鋼俠戰(zhàn)衣的過程中，并沒有在圖紙或實體上完成操作，只是借助一種虛幻的影像投射情境來協(xié)助和完成，這種數(shù)字化、可視化以及智能化的場景映射就是數(shù)字孿生。關于數(shù)字孿生概念，美國的航空航天局給出的權威解釋是：數(shù)字孿生是通過有效應用和運行歷史、物理模型和傳感器等一些數(shù)據(jù)，對多尺度和多學科仿真過程進行集成。在虛擬空間中，數(shù)字孿生作為實體產(chǎn)品的鏡像，將物理實體產(chǎn)品全生命周期過程有效反映出來。通俗來講，數(shù)字孿生即將現(xiàn)實世界中的物理體或者是系統(tǒng)和流程將其復制到虛擬空間中，進而形成一個“克隆體”，使得兩者最終成為一個“數(shù)字雙胞胎”。

數(shù)字孿生聽著感覺像自己拍照片一樣簡單，實際并非如此。數(shù)字孿生不僅重視實時與準時創(chuàng)建和物理實體等價“克隆體”或數(shù)字模型，更加重要的是它會“動”，就是通過與物理實體周邊場景、傳感現(xiàn)實以及歷史數(shù)據(jù)等結合起來分析仿真，為物理實體的后續(xù)運行提供了良好的優(yōu)化與改進方案，同時，還會輻射物理實體全生命周期過程。所以，雙向性，就是本體通過向孿生體輸出數(shù)據(jù)以構建模型，而數(shù)字孿生的核心特征，就是孿生體向本體反饋信息以及輸出優(yōu)解。所以，數(shù)字孿生能夠支持和引導人們穿越虛實界墻，物理主體和數(shù)字模型通過自由交互和行走，進而使現(xiàn)實和虛擬世界實現(xiàn)有效融合。

由于數(shù)碼孿生完全不同于單純的影像制作和上傳，也就不難理解數(shù)碼孿生不同于CAD，也區(qū)別于VR 與AR，因為后者到目前仍然是單向的，即人們能夠沉浸其中，而這些又不會因為特定場景的存在而進行相應調節(jié)和變化。不過，數(shù)碼孿生也的確離不開VR 和AR 科技，也離不開大數(shù)據(jù)分析、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)和AI 等科技的幫助。沒有了物聯(lián)網(wǎng)就不能夠完成端與端的連接，沒有了傳感器，數(shù)據(jù)就只能孤立地存在于實際物體中，更別說虛擬世界的信息反饋。同樣，如果脫離了AI，數(shù)字孿生就相當于沒有了大腦，數(shù)碼孿生只能變成僅有軀殼的胚胎了。而在這一科技矩陣中，數(shù)據(jù)雙胞就如同能夠點燃的引擎，推動所有的細胞次序活躍并協(xié)同工作。

2 最廣的應用地帶

從時間上看，首次應用數(shù)字孿生的是美國國家航空航天局的阿波羅項目。當時，NASA 首次利用數(shù)據(jù)空間構建飛行器模型，并利用傳感器達到與飛行器實際情況完全一致，通過觀察和對太空飛行器的飛行情況進行模擬研究，幫助地面人員做出合理判斷。對NASA 供應商的工業(yè)生產(chǎn)廠家?guī)砹撕艽蟮膯l(fā)和觸動，特別是在近幾年，一些發(fā)達國家先后提出了工業(yè)4.0、智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略，以美國通用電氣、德國西門子等為代表的一些大型工業(yè)企業(yè)對數(shù)字孿生也有了新的認識，使得工業(yè)制造成為數(shù)字孿生中比較活躍的戰(zhàn)場。

對工業(yè)企業(yè)來說，產(chǎn)品無疑是第一個可以數(shù)字孿生的目標，從產(chǎn)品的設計到產(chǎn)品的制作，甚至產(chǎn)品的庫存和交貨，都能夠利用數(shù)據(jù)建模進行全方位的跟蹤研究。從中既能夠有效改變和優(yōu)化產(chǎn)品的外觀、功能和技術，也能夠找到產(chǎn)品的質量缺陷，并加以同步化糾正和改進。類似地，公司的整條生產(chǎn)線也可以實現(xiàn)數(shù)字孿生，通過對賽博空間（計算機以及計算機網(wǎng)絡里的虛擬現(xiàn)實）中生產(chǎn)線上的等價映射鏡像，可以及時調整企業(yè)生產(chǎn)流程中的人力資源和技術要素分配，并捕捉和消除相應的生產(chǎn)線上堵點，從而實現(xiàn)整條企業(yè)生產(chǎn)過程的風險隔離和質量控制。

數(shù)字孿生同時也可以擴展至后續(xù)業(yè)務層面。如通過對商品的幾何造型、特性、商品歷史銷售、使用者反映等方面進行建模，將能夠改變傳統(tǒng)的商品運行黑箱狀態(tài)，提前監(jiān)控商品的使用情況和運行狀態(tài)，在發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設計具體功能誤差的同時，可以有效提前預測產(chǎn)品設計零件的磨損時間界面，從而主動、有效和及時地進行商品維修服務。而按照國際著名管理咨詢服務企業(yè)Gartner 所發(fā)表的數(shù)據(jù)分析報道，通過數(shù)字孿生的產(chǎn)品智能控制業(yè)務，維護人員的響應時間由最初的300min 減少到了15min，同時商品一次性的維修成功率也由75%提高至92%。

智能工廠以及智能車間是數(shù)字孿生的可視化成果，每個企業(yè)和車間都可把生產(chǎn)制造體系和機器裝備等孿生成為賽博空間等價數(shù)據(jù)模型，以此來同步檢測和測試實體物理基礎設施的實際工作情況，有效地將人機匹配交互程度反映出來，勘驗固定資產(chǎn)使用期限與折舊必要性，并解析與監(jiān)控生產(chǎn)進展情況和生產(chǎn)庫存狀況，預測和消除要素配置中的掣肘和阻礙，識別和修正制造流程中的偏離和失誤，實現(xiàn)工廠設施和生產(chǎn)在最佳生命時間和優(yōu)化場景中的遞進化。

智能與數(shù)字化共同驅動在工業(yè)自動化過程中，由于數(shù)碼孿生扮演著基石和底座的重要角色，因此智能化制造信息系統(tǒng)先要能感知，接著才進行分析和邏輯推理。若不是數(shù)字孿生對現(xiàn)實物理設備和產(chǎn)品加工控制系統(tǒng)的精確建模，智能化制造信息系統(tǒng)將是無源之水?？v觀來看，從設計到產(chǎn)品生產(chǎn)加工，再到庫存運輸與后期服務，數(shù)字孿生可以幫助公司對整個產(chǎn)業(yè)鏈與全生命周期實現(xiàn)動態(tài)預測和管控；而橫向上看，從智慧工廠設計到智慧車間，再到智慧廠房，數(shù)碼孿生支撐著對公司全部資產(chǎn)設備和基礎設施的優(yōu)化和提升，所以，數(shù)字孿生胞可以說是對工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)進行數(shù)字化、智能化管理的有力驅動器。

在應用環(huán)境中，數(shù)字孿生反映出來的智能化作用將遠超人們的預期。對企業(yè)而言，通常一個全新的產(chǎn)品在開始投入使用時會存在一定的危險，例如使用錯誤造成重要零件甚至整個系統(tǒng)受損等，而有了數(shù)字孿生，企業(yè)將不需進行不確定性實地風險檢測，實體制造流程就能以有備無患的姿態(tài)開啟和進行。此外，數(shù)字孿生最特異的作用便是預測，所有的不確定性都將通過數(shù)字孿生展現(xiàn)出來，在推動企業(yè)構建完善的質量管理體系的同時，數(shù)字孿生屏蔽了企業(yè)經(jīng)營管理流程中的一切不安因素。另外，賽博空間的資料系統(tǒng)一般和實體物理系統(tǒng)同步進行。一般情況下，企業(yè)保養(yǎng)和維護機器設備經(jīng)常要產(chǎn)生停工停產(chǎn)等不少的機會成本，而如果是數(shù)字孿生，所有的問題首先都在桌面上檢測并消除，繼而傳遞給實物儀器進行檢測處理。整個流程沒有干擾儀器工作過程，企業(yè)工作效率明顯提高。

一些實體企業(yè)的應用案例使得數(shù)字孿生的重要價值得以體現(xiàn)出來。當前，美國通用電氣一共有120 萬份數(shù)字孿生體，并聲稱每個渦輪、引擎以及每臺核磁共振中都創(chuàng)造了一個數(shù)字孿生體，進而成為美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的排頭兵；在產(chǎn)品制造方面，勞斯萊斯公司通過數(shù)字孿生的風扇葉片來生產(chǎn)超級噴射發(fā)動機，從而產(chǎn)生了減少燃料損耗約25%的效益；在產(chǎn)品研制方面，由于葛蘭素史克疫苗研制和制造過程采用了數(shù)字孿生的監(jiān)控，公司的產(chǎn)品質量管理成本降低了13%，產(chǎn)品返工和報廢降低了25%，合規(guī)的監(jiān)管費用也降低了70%。

由于數(shù)碼孿生的重要價值，Gartner 已持續(xù)4年把數(shù)碼孿生納入了當年的十大戰(zhàn)略技術發(fā)展趨勢中，并預計在未來這一科技種類中還會形成更大的破壞性技術創(chuàng)新。據(jù)Gartner計算，在去年全世界部署物聯(lián)網(wǎng)的公司和機構中有13%正在使用數(shù)碼孿生，而62%的機構也正準備好采用數(shù)碼孿生技術。另據(jù)IDC（互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心）的報道，今年全世界600 余家公司都將采用數(shù)碼孿生技術來進行產(chǎn)業(yè)革新。而根據(jù)Gartner的預計，在明年全世界還將有近半數(shù)的主要制造業(yè)公司采用數(shù)碼孿生，而這些公司的整體工作效率將提升10%；在未來2024年，會有多達25%的新型數(shù)碼孿生將成為新loT 原生業(yè)務應用的綁定功能而被廣泛使用。

大顯身手的跑道除在工業(yè)制造方面上大顯身手之外，數(shù)字孿生在建筑工程、醫(yī)學分析和城市交通基礎設施建設改善等領域中都大有用武之地，從而產(chǎn)生了智能建筑、智能醫(yī)院和智能城市等交通的新概念。如工程建筑而言，在建造公路、橋梁等基礎建設之前，工程設計技術人員能夠先進行建筑的數(shù)字化建模，進而在賽博空間中對建筑進行仿真和建模，從而評價建筑的構造和能力，還能夠導入大流量數(shù)據(jù)分析，從而評價工程建筑是否能夠適應交付使用后的需要。當建筑移交后，還能夠在維護階段評價工程建筑是否能夠承受特定狀況的壓力，并且檢測可能發(fā)生的重大事故隱患。同時，在城市規(guī)劃建設方面，基礎建設（水、電、氣、道路等）的運行狀態(tài)及其城市公共重要資源（警務、醫(yī)護、消防工作等）的合理調配狀況，均可以利用電子感應器、攝像機等工具采集起來，城市管理者可以通過這種數(shù)據(jù)形成城市數(shù)字的孿生體，從而更加有效地管理城市規(guī)劃。

更加神奇的是，橫跨工業(yè)仿真、人工智能以及地理信息等多個領域的中國原創(chuàng)科技公司51WORLD，基于數(shù)字孿生提出了“地球克隆計劃”。51WORLD 認為，可以有效通過結合地球人口數(shù)量、地球資源分布情況和地表溫度等數(shù)據(jù)生成地球數(shù)字孿生體，進而實現(xiàn)對地球的健康護理。如果可以實現(xiàn)，那么人類就會擁有更加廣袤的綠色森林，也會呼吸更加新鮮的空氣，有效減少和降低新冠病毒的侵擾。

3 結語

綜上所述，數(shù)字孿生作為近年涌現(xiàn)的新技術，不僅為進行大型復雜系統(tǒng)的全周期管理提供了新的手段，更重要的是從觀念上為人們如何融入數(shù)字化社會打開了一扇新的大門。為人們更好地認識、分析與管控復雜系統(tǒng)提供了新的視角與思維方法，也為社會和企業(yè)提升管理水平提供了新的數(shù)字化手段。