數(shù)字孿生也被稱為“過(guò)程模擬技術(shù)”，近年來(lái)隨著汽車行業(yè)、醫(yī)療保健服務(wù)、制造運(yùn)營(yíng)、發(fā)電設(shè)備、城市規(guī)劃等應(yīng)用，數(shù)字孿生技術(shù)獲得了很大勢(shì)頭。數(shù)字孿生是工業(yè)4.0不可分割的一部分，更是互聯(lián)產(chǎn)品和服務(wù)的基礎(chǔ)。

數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)世界的虛擬表示，包括涉及物理和虛擬世界配對(duì)的行為、人、地點(diǎn)、過(guò)程、產(chǎn)品、關(guān)系、服務(wù)或系統(tǒng)。

數(shù)字孿生鏡像并測(cè)量其物理對(duì)應(yīng)物，并在此過(guò)程中覆蓋了實(shí)物資產(chǎn)的整個(gè)生命周期。

創(chuàng)建現(xiàn)實(shí)世界實(shí)體或系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)軟件模型、數(shù)字副本使我們能夠分析數(shù)據(jù)并監(jiān)控系統(tǒng)，以搶占問(wèn)題，防止停機(jī)，探索新機(jī)會(huì)，并使用模擬來(lái)規(guī)劃未來(lái)。

數(shù)字孿生倡議對(duì)于釋放夸企業(yè)和大型產(chǎn)品或項(xiàng)目的數(shù)據(jù)價(jià)值正變得越來(lái)越重要。

數(shù)字孿生技術(shù)是如何工作的？

數(shù)字孿生概念的歷史

對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的第一個(gè)描述歸功于1991年出版的《鏡面世界》一書(shū)，該書(shū)探討了計(jì)算技術(shù)對(duì)未來(lái)世界的影響。數(shù)字孿生概念和模型由MichaelGrieves于2002年在密歇根大學(xué)首次引入。此外，美國(guó)宇航員在“2010年路線圖報(bào)告中”正式發(fā)明了數(shù)字孿生一詞。

為什么我們需要數(shù)字孿生？這種需求主要源于要求立即訪問(wèn)單一可信、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)來(lái)源，以便及時(shí)、有效地做出決策。

數(shù)字孿生也包括3D數(shù)字孿生，是視覺(jué)上身臨其境和準(zhǔn)確的模型，在增加收入增長(zhǎng)和規(guī)劃效率、優(yōu)化資產(chǎn)利用率和減少支出方面提供了切實(shí)的好處。

因此，除了提高庫(kù)存的可靠性和可見(jiàn)性外，運(yùn)營(yíng)商還預(yù)計(jì)減少重復(fù)工作以及人工干預(yù)。

數(shù)字孿生框架

數(shù)字孿生反映了一個(gè)獨(dú)特的對(duì)象、組織、人或過(guò)程。建筑師、城市設(shè)計(jì)師、城市規(guī)劃師和其他人可以匯總來(lái)自多個(gè)數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)，以綜合查看幾個(gè)現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體，如建筑/城市/工廠或發(fā)電廠及其相關(guān)流程。

物理資產(chǎn)或構(gòu)建環(huán)境的虛擬世界復(fù)制品依賴于廣泛的物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)收集的數(shù)據(jù)來(lái)準(zhǔn)確反映資產(chǎn)。

通常，應(yīng)用數(shù)學(xué)和數(shù)據(jù)科學(xué)專家研究正在復(fù)制的物理對(duì)象或系統(tǒng)，并使用該數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)一個(gè)數(shù)學(xué)模型，模擬數(shù)字空間中的種種。

構(gòu)建的孿生能夠深入了解物理對(duì)象的性能和潛在問(wèn)題，并且可以根據(jù)數(shù)字孿生應(yīng)用而變得復(fù)雜或簡(jiǎn)單。

隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的發(fā)展，將有更少?gòu)?fù)雜和更小對(duì)象的數(shù)字孿生場(chǎng)景，這將為企業(yè)帶來(lái)許多好處。

數(shù)字孿生框架通常由三個(gè)部分組成：

● 物理對(duì)應(yīng)物的數(shù)字定義--由CAD、PLM等生成。

● 對(duì)口部門的運(yùn)營(yíng)/體驗(yàn)數(shù)據(jù)--來(lái)自物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、現(xiàn)實(shí)世界的遙測(cè)等。

● 儀表板或人機(jī)交互等信息模型關(guān)聯(lián)和呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。

數(shù)字孿生工作原理

與虛擬原型不同，數(shù)字孿生在整個(gè)物理資產(chǎn)或系統(tǒng)生命周期中不斷更新有關(guān)性能、維護(hù)和健康狀況的數(shù)據(jù)。

在數(shù)字孿生技術(shù)的背景下，數(shù)字線程在數(shù)字世界和物理世界之間創(chuàng)建一個(gè)閉環(huán)，并促進(jìn)雙向數(shù)據(jù)流，從而最大限度減少在獲取和檢查數(shù)據(jù)上浪費(fèi)的時(shí)間。

數(shù)字孿生如何解決業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)：

數(shù)據(jù)捕獲和集成--數(shù)字孿生正在改拜年企業(yè)捕獲和建模數(shù)據(jù)、分析信息、集成網(wǎng)絡(luò)和簡(jiǎn)化工作流程的方式。

實(shí)時(shí)信息和可視化--通過(guò)儀表板和報(bào)告、高級(jí)可視化和實(shí)時(shí)物聯(lián)網(wǎng)集成，可以輕松發(fā)現(xiàn)新的見(jiàn)解，做出更知情透明的決策，并釋放數(shù)據(jù)的潛力。

共享和協(xié)作--可以消除數(shù)據(jù)孤島，保持動(dòng)態(tài)視覺(jué)通信，增加內(nèi)部和外部參與度，并提供普遍的數(shù)據(jù)訪問(wèn)，同時(shí)改善社區(qū)和組織之間的信息共享。

分析和預(yù)測(cè)--自動(dòng)化方法，例如人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等，以及模擬和場(chǎng)景建模在未來(lái)預(yù)測(cè)的高級(jí)分析和自動(dòng)化方面非常有益。

全球運(yùn)營(yíng)和供應(yīng)鏈越來(lái)越多地采用數(shù)字孿生，以了解現(xiàn)在并預(yù)測(cè)未來(lái)。誰(shuí)定義了新的數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)要求，并推動(dòng)了數(shù)字孿生使用的最佳實(shí)踐？

此外，作為一種拓?fù)浜臀恢妹舾械姆植际接?jì)算形式，邊緣計(jì)算可以幫助更多企業(yè)訪問(wèn)數(shù)字孿生進(jìn)行操作，確保數(shù)據(jù)完整性和實(shí)時(shí)決策能力。

通過(guò)使計(jì)算能力和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存更接近建模的物理實(shí)體，邊緣計(jì)算有助于避免通常與大型云計(jì)算相關(guān)的額外成本和時(shí)間延遲。

數(shù)字孿生的類型

數(shù)字孿生以不同的復(fù)雜性和形式存在。四種主要類型的數(shù)字孿生是：

資產(chǎn)孿生：資產(chǎn)孿生實(shí)際上代表了兩個(gè)或多個(gè)組件，作為更全面系統(tǒng)的一部分如何交互和協(xié)同工作。可以分析資產(chǎn)孿生的績(jī)效數(shù)據(jù)，以做出明智的決定。

組件孿生：部分孿生模擬功能組件，并綁定到更大系統(tǒng)的一部分。組件孿生也被稱為部分孿生，代表整個(gè)系統(tǒng)的單個(gè)部分。通常，這是資產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的重要組成部分，例如風(fēng)力渦輪機(jī)的電機(jī)。

流程孿生：流程孿生提供了關(guān)于數(shù)字環(huán)境資產(chǎn)、組件和單元如何協(xié)同工作的見(jiàn)解。例如，流程數(shù)字孿生可以以數(shù)字方式復(fù)制整個(gè)制造設(shè)施的運(yùn)營(yíng)和生產(chǎn)流程，包括其所有組件。

系統(tǒng)孿生：系統(tǒng)孿生反映了歷史和當(dāng)前狀態(tài)，并預(yù)測(cè)整個(gè)系統(tǒng)或系統(tǒng)特定部分的未來(lái)狀態(tài)。例如，系統(tǒng)孿生模擬了整個(gè)生產(chǎn)線。

數(shù)字孿生的優(yōu)勢(shì)

提高運(yùn)營(yíng)效率：數(shù)字孿生提供相關(guān)見(jiàn)解，以收集不同的數(shù)據(jù)集，并捕獲有關(guān)資產(chǎn)和生產(chǎn)性能的實(shí)時(shí)信息，從而提高運(yùn)營(yíng)效率。

加強(qiáng)可持續(xù)性發(fā)展：應(yīng)用全廠數(shù)字孿生模型使企業(yè)能夠使用數(shù)據(jù)、可見(jiàn)性和可視化來(lái)確定潛在的效率領(lǐng)域，并發(fā)現(xiàn)跨多個(gè)維度的改進(jìn)機(jī)會(huì)。

例如，企業(yè)可以減少制造過(guò)程中的廢料，或?qū)a(chǎn)品材料換成更可持續(xù)的選擇。

減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間：實(shí)時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)可確保設(shè)備啟動(dòng)并運(yùn)行，并及時(shí)進(jìn)行檢查、監(jiān)控操作條件和功耗水平、自動(dòng)警報(bào)等。

數(shù)字孿生的預(yù)防和預(yù)測(cè)維護(hù)能力增加了設(shè)備的正常運(yùn)行時(shí)間，防止了收入的損失，并改善了公共安全。

提高供應(yīng)鏈的敏捷性和彈性：物理端到端供應(yīng)鏈的數(shù)字孿生可以更好地了解交貨時(shí)間和其他關(guān)鍵因素。

因此企業(yè)可以在內(nèi)部和外部進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，并在供應(yīng)鏈中斷時(shí)變得敏捷和有彈性。

縮短上市時(shí)間：來(lái)自數(shù)字孿生的持續(xù)見(jiàn)解促進(jìn)更快的迭代和創(chuàng)新。

此外，在物理原型制作之前使用數(shù)字模型和仿真工具來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)品性能，可以避免后期重新設(shè)計(jì)，縮短上市時(shí)間，并節(jié)省大量時(shí)間。

提高客戶滿意度：了解客戶需求并進(jìn)行未來(lái)產(chǎn)品改進(jìn)時(shí)實(shí)現(xiàn)客戶滿意度的必要條件。

數(shù)字孿生使企業(yè)能夠加快維修運(yùn)營(yíng)并提供更順暢的客戶服務(wù)，從而在日益以客戶為中心的市場(chǎng)中成為有競(jìng)爭(zhēng)力的差異化因素。

數(shù)字孿生的挑戰(zhàn)

創(chuàng)建虛擬孿生有挑戰(zhàn)或局限性，在實(shí)踐中，數(shù)字孿生不是一個(gè)簡(jiǎn)單的安裝和部署解決方案，因此，開(kāi)發(fā)一個(gè)可靠且可讀的數(shù)字孿生需要數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。

以下是數(shù)字孿生的主要挑戰(zhàn)：

物理對(duì)象的不準(zhǔn)確性：虛擬克隆確實(shí)存在風(fēng)險(xiǎn)。不準(zhǔn)確的數(shù)字孿生副本確實(shí)會(huì)帶來(lái)某些危險(xiǎn)。如果無(wú)法獲得作古有關(guān)物理對(duì)應(yīng)方的信息，歪曲要復(fù)制的對(duì)象或系統(tǒng)可能會(huì)導(dǎo)致困難。

根據(jù)物理項(xiàng)目的復(fù)雜性，如果沒(méi)有開(kāi)放、實(shí)時(shí)和高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，確保模擬的準(zhǔn)確性可能并不容易。

小企業(yè)的可負(fù)擔(dān)性：創(chuàng)建數(shù)字孿生是一個(gè)昂貴的、資源驅(qū)動(dòng)的過(guò)程。此外，每個(gè)物體都不夠復(fù)雜，不足以使用數(shù)字孿生。

缺乏數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)：必須以可用的格式提供數(shù)據(jù)，以便跨區(qū)域和擴(kuò)展數(shù)據(jù)。維護(hù)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)至關(guān)重要，因?yàn)閿?shù)據(jù)互操作性和數(shù)據(jù)集成在數(shù)字孿生中至關(guān)重要。

各級(jí)合作：數(shù)字城市孿生尤其需要地方政府和流動(dòng)、城市規(guī)劃、環(huán)境和其他部門成員的認(rèn)同和支持，使其在當(dāng)?shù)毓ぷ?，并發(fā)展成為有用的公共行政工具。

數(shù)據(jù)孿生的應(yīng)用

與3D建模不同，數(shù)字孿生提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及對(duì)象視圖，并探索隨著時(shí)間的推移影響物體的各種環(huán)境條件。事實(shí)證明，數(shù)字模型在各種應(yīng)用中都非常成功，比如：

建筑工程行業(yè)

數(shù)字孿生可以通過(guò)使用數(shù)據(jù)分析來(lái)虛擬測(cè)試和頒布政策以及設(shè)計(jì)現(xiàn)實(shí)世界的建筑方法來(lái)幫助簡(jiǎn)化城市規(guī)劃。事實(shí)證明，數(shù)字孿生可以通過(guò)提供能源消耗和其他相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)提高建筑物等自給自足和減少城市碳足跡方面也很有用。

汽車工業(yè)

數(shù)字孿生有助于人工智能算法檢測(cè)可能發(fā)生的故障，并最大限度地減少維護(hù)和維修需求，從而降低企業(yè)在保修期內(nèi)維修汽車的成本，同時(shí)改善用戶體驗(yàn)。

環(huán)境保護(hù)

在氣候變化和全球變暖的背景下，數(shù)字孿生有助于繪制未來(lái)環(huán)境及其對(duì)城市的影響。

制造業(yè)

由于數(shù)字孿生技術(shù)允許在數(shù)字孿生軟件中建模和探索流程變化，企業(yè)可以利用該技術(shù)進(jìn)行工業(yè)和工廠數(shù)字化、生產(chǎn)優(yōu)化，而無(wú)需在實(shí)驗(yàn)中冒險(xiǎn)使用關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。

城市規(guī)劃

數(shù)字孿生技術(shù)有助于建立智能、可持續(xù)和以人為本的城市。然而，要使大規(guī)模采用數(shù)字孿生成為可能，需要克服許多挑戰(zhàn)。

總結(jié)

數(shù)據(jù)孿生技術(shù)正在不斷發(fā)展，更是一項(xiàng)值得投資的可實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。當(dāng)我們通過(guò)豐富的數(shù)據(jù)獲得更好的見(jiàn)解時(shí)，我們會(huì)在不確定的時(shí)代找到確定性，并有機(jī)會(huì)提高決策準(zhǔn)備狀態(tài)，并快速確定實(shí)現(xiàn)可持續(xù)績(jī)效改進(jìn)所需策略。

預(yù)計(jì)到2030年，全球數(shù)字孿生行業(yè)將達(dá)到超過(guò)1250億美元，許多行業(yè)對(duì)數(shù)字孿生的需求將繼續(xù)增長(zhǎng)。