張銳

充滿更神奇的想象是，橫跨工業(yè)仿真、人工智能、地理信息以及云計算等多個領域的中國原創(chuàng)新科技公司51WORLD基于數字孿生提出了“地球克隆計劃”。

工信部副部長辛國斌日前主持國家智能制造標準化協(xié)調推進和專家咨詢組全體會議時提出，要加強對5G、人工智能、數字孿生等新技術應用標準的前瞻布局。對于許多人來說，5G和人工智能已經耳熟能詳，但數字孿生卻是一個相對陌生的概念，而恰恰是這個聽上去有些高大上的技術物種，未來可以落地應用的價值場景分外多彩而廣闊。

鏈接現(xiàn)實與虛擬

看過電影《鋼鐵俠》的人一定不會忘記其中一個十分經典的華畫面：托尼·史塔克在設計、改進和修理鋼鐵俠戰(zhàn)衣的時候，并不是在圖紙或實物上進行操作，而是通過一個虛擬的影像映射場景來輔助實現(xiàn)，而這個可視化、智能化、數字化的映射場景其實就是數字孿生（Digital Twin）。按照美國的航空航天局（NASA）給出的最權威解釋，數字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數據，集成多學科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對實體產品的鏡像，反映了相對應物理實體產品的全生命周期過程。說的通俗些，數字孿生就是將現(xiàn)實世界的物理體或者系統(tǒng)以及流程等復制到虛擬空間，生成一個“克隆體”，二者最終組成一個“數字雙胞胎”。

聽上去數字孿生好像是一般人自己拍照片那么簡單，其實不然。數字孿生除了實時與準時創(chuàng)建與物理實體等價的“克隆體”或數字模型外，更重要的是它還會“動”，即根據傳感現(xiàn)實數據、歷史數據以及物理本體周邊場景數據進行仿真分析，為物理實體的后續(xù)運行提供改進與優(yōu)化方案，并會輻射到物理實體的全生命周期過程，因此，雙向性即本體向孿生體輸出數據和建成模型，同時孿生體向本體反饋信息和輸出優(yōu)解是數字孿生的核心特征。看得出，數字孿生可以支持與引導人們穿越虛實界墻，在物理主體與數字模型之間自由交互與行走，實現(xiàn)現(xiàn)實世界與虛擬世界的彼此交融。

既然數字孿生完全不同于簡單的影像生成與上傳，同樣就不難理解數字孿生肯定不同于CAD（計算輔助技術），也有別于VR（虛擬現(xiàn)實）與AR（增強現(xiàn)實），因為后者截至目前都還是單向的，即人們可以沉浸其中，但它們都不會因某些需求的出現(xiàn)而發(fā)生及時調整與改變。但是，數字孿生在的確離不開VR和AR的同時，更需要大數據、傳感器、物聯(lián)網（IoT）以及AI等技術的支持。沒有物聯(lián)網就不可能實現(xiàn)端與端的鏈接，而失去傳感器，數據就只能孤立存在于現(xiàn)實物體，更談不上虛擬世界的信息反饋，同樣，離開了AI，數字模型就等于失去了“大腦”，數字孿生只能成為僅有軀殼的“胚胎”。而在這一技術矩陣中，數字孿生猶如可以點火的引擎，帶動各個技術細胞次序活躍與協(xié)同運轉。

最廣的應用地帶

從時間上看，最先使用數字孿生的是美國國家航空航天局（NASA）的阿波羅項目，當時NASA首先在數字空間建立真實飛行器模型，并通過傳感器實現(xiàn)與飛行器真實狀態(tài)完全同步，通過監(jiān)測和預測空間飛行器的飛行狀態(tài)進行仿真分析，輔助地面控制人員作出正確決策。此舉對作為NASA供應商的工業(yè)生產廠家觸動與啟發(fā)很大，尤其是隨著最近幾年發(fā)達國家先后提出工業(yè)4.0、智能制造以及工業(yè)互聯(lián)網戰(zhàn)略，以美國通用電氣（GE）、德國西門子等為代表的大型工業(yè)企業(yè)紛紛擁抱數字孿生，導致工業(yè)制造成為了數字孿生最為活躍的戰(zhàn)場。

對于工業(yè)企業(yè)而言，產品無疑是首先可以數字孿生的對象，從產品的設計，到產品的制造、以及產品的倉儲與運輸，均可以通過數據建模實現(xiàn)全流程的監(jiān)控分析，從中既可以及時調整與完善產品的形狀、結構以及工藝，又可以發(fā)現(xiàn)產品的質量瑕疵，并進行同步性修補與改善。同樣的道理，企業(yè)的整條產品生產線也可以數字孿生，借助賽博空間（計算機以及計算機網絡里的虛擬現(xiàn)實）生產線的等價映射鏡像，提前優(yōu)化生產流程中的資源與要素配置，同時捕捉與清除相關的線上堵點，達到對整個產品生產活動的風險隔離與健康管理。

數字孿生當然可以延伸到后續(xù)服務層面。比如通過對產品的幾何形狀、性能、歷史銷售、用戶反饋等進行建模，就可以改變傳統(tǒng)的產品運行“黑箱”狀態(tài)，實時監(jiān)測產品的使用與運轉狀況，發(fā)現(xiàn)產品具體功能偏差的同時，更能提前預判產品零部件的損壞時間界面，以便主動、及時和提前提供維護服務。根據知名咨詢公司Gartner發(fā)布的分析報告，基于數字孿生的產品智能服務，維修人員的響應時間從原來的300分鐘縮短到了15分鐘，同時一次性修復率從75%提升到92%。

智能車間與智能工廠是數字孿生的可視化成果。任何一個車間與企業(yè)，都可以將機器裝備、生產制造體系以及倉儲設備等孿生成賽博空間的等價數據模型，并籍此對實體物理基礎設施的工作狀況進行同步及時的測試與檢測，從中揭示人機匹配與交互程度，勘驗固定資產使用壽命和折舊必要性，同時分析與跟蹤產量進度指標與產品庫存態(tài)勢，預測與排除要素搭配中的掣肘與障礙，發(fā)現(xiàn)與糾正生產過程中的偏差與失誤，確保企業(yè)基礎設施與生產能力在最佳生命時段與優(yōu)化情景中運行遞進。

智能化與數字化驅動

在工業(yè)制造智能化過程中，數字孿生實際充當著基礎與底座的角色，因為智能制造系統(tǒng)首先要能感知，然后才是分析推理，但如果沒有數字孿生對現(xiàn)實物理設施與生產制造體系的準確建模，智能制造系統(tǒng)將是無源之水。縱向上看，從產品設計、到生產制造，再到倉儲運輸以及后續(xù)服務，數字孿生協(xié)助企業(yè)對全產業(yè)鏈與全生命周期進行動態(tài)預測與管理;橫向上看，從智能生產線、到智能車間，再到智能工廠，數字孿生支持對企業(yè)所有資產設備與基礎設施的優(yōu)化與升級，因此，數字孿生可以說是工業(yè)制造企業(yè)實現(xiàn)數字化、智能化的強大驅動。

從實踐過程中，數字孿生體現(xiàn)出的智能化價值也遠超我們的想象。對于企業(yè)來說，往往一項新的設備在首次投入使用時會存在風險，比如操作不當導致關鍵零部件或者整套設備損壞等，但有了數字孿生，企業(yè)就不需要進行不確定性實地風險測試，實體生產過程都會在有備無患的狀態(tài)啟動與展開。另外，數字孿生最特異的功能就是預測，一切的未知都會被數字孿生揭示出來，在引導企業(yè)建立起嚴密的健康管理系統(tǒng)（IVHM）的同時，數字孿生屏蔽了企業(yè)運營管理過程中的所有不安因素。還有，賽博空間的數據模型一般與實體物理設備同步進行，傳統(tǒng)狀態(tài)下企業(yè)檢修或者維修機器設備，往往會產生停工停產等不小的機會成本，但一旦實現(xiàn)數字孿生，所有的故障都首先在桌面上檢測后排除，繼而反饋到實體設備完成檢修任務，整個過程不會影響到機器作業(yè)程序，生產效率由此大大提高。

實體企業(yè)的應用案例有力佐證了數字孿生的重要價值。目前，美國通用電氣共擁有120萬個數字孿生體，號稱在每個引擎、每個渦輪、每臺核磁共振創(chuàng)造了一個數字孿生體，由此造就了GE成為了美國工業(yè)互聯(lián)網的排頭兵;在產品制造領域，勞斯萊斯使用數字孿生風扇葉片來制造超級噴氣發(fā)動機，產生了降低燃油消耗25%的效果;產品研發(fā)方面，葛蘭素史克疫苗研發(fā)及生產通過“數字雙胞胎”的監(jiān)控，企業(yè)的質量控制開支減少13%，返工和報廢減少25%，合規(guī)監(jiān)管費用減少了70%。

基于數字孿生的巨大價值， Gartner連續(xù)四年將“數字孿生”列為當年的十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢，并預測未來這一技術物種還會產生更大的破壞性創(chuàng)新。據Gartner統(tǒng)計，去年全球部署物聯(lián)網的企業(yè)和組織中已有13%應用數字孿生，62%的組織正在準備使用數字孿生;另據IDC（互聯(lián)網數據中心）的報告，今年全球頭部600家企業(yè)都會使用數字孿生來提供產品創(chuàng)新。按照Gartner的預測，明年全球將有半數的大型工業(yè)企業(yè)使用數字孿生，從而使這些企業(yè)的效率提高10%;2024年會有超過25%的全新數字孿生將作為新IoT原生業(yè)務應用的綁定功能被采用。

大顯身手的跑道

除了在工業(yè)制造地帶大顯身手外，數字孿生在工程建筑、醫(yī)學分析以及城市基礎設施建設與改造等領域均有用武之地，由此形成了智慧建筑、智慧醫(yī)療以及智慧城市等概念。拿工程建筑來說，修建高速公路、橋梁等基礎設施前，設計人員可以首先完成對工程的數字化建模，然后在賽博空間對工程進行仿真和模擬，評估工程的結構和承受能力，還可以導入流量數據，評估工程是否可以滿足投入使用后的需求;工程交付后，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，以及監(jiān)測可能出現(xiàn)的事故隱患。同樣，在城市建設方面，基礎設施（水、電、氣、交通等）的運行狀態(tài)以及市政資源（警力、醫(yī)療、消防等）的調配情況都可通過傳感器、攝像頭等工具采集出來，城市管理者基于這些數據生成城市數字孿生體，進而更高效地管理城市。

充滿更神奇的想象是，橫跨工業(yè)仿真、人工智能、地理信息以及云計算等多個領域的中國原創(chuàng)新科技公司51WORLD基于數字孿生提出了“地球克隆計劃”。在51WORLD看來，完全可以根據地球資源分布、人口數量、地表溫度變化情況等數據生成地球數字孿生體，并據此對地球做出及時的健康護理。果真如此，人類便可擁抱到更廣袤的綠色森林，呼吸到更新鮮的潔凈空間，也會大大減少新冠肺炎等流行病毒的侵擾與折磨。