向更廣泛領(lǐng)域滲透

數(shù)字孿生如何落地
　　工業(yè)和信息化部等五部門日前聯(lián)合印發(fā)的《虛擬現(xiàn)實(shí)與行業(yè)應(yīng)用融合發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2022 ~ 2026 年)》列出了虛擬現(xiàn)實(shí)與新一代信息技術(shù)進(jìn)行深度融合的豪華陣容，其中數(shù)字孿生就是與 5G、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和區(qū)塊鏈并駕齊驅(qū)的核心融合軀干。其實(shí)，除了中國(guó)外，包括德國(guó)、美國(guó)和日本等許多發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體都在全力尋找與拓展數(shù)字孿生的落地場(chǎng)景，因此，接下來(lái)數(shù)字孿生將在社會(huì)經(jīng)濟(jì)的許多領(lǐng)域尤其是工業(yè)制造方面發(fā)揮出極其強(qiáng)大的賦能作用。

一、橋接現(xiàn)實(shí)與虛擬

數(shù)字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多尺度的仿真過(guò)程，它作為虛擬空間中對(duì)實(shí)體產(chǎn)品的鏡像，反映了相對(duì)應(yīng)物理實(shí)體產(chǎn)品的全生命周期過(guò)程。
　　按照美國(guó)航空航天局(NASA)給出的解釋，數(shù)字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多尺度的仿真過(guò)程，它作為虛擬空間中對(duì)實(shí)體產(chǎn)品的鏡像，反映了相對(duì)應(yīng)物理實(shí)體產(chǎn)品的全生命周期過(guò)程。通俗點(diǎn)說(shuō)，數(shù)字孿生就是將現(xiàn)實(shí)世界的物理體或者系統(tǒng)以及流程等復(fù)制到虛擬空間，生成一個(gè)“克隆體”，二者最終組成一個(gè)“數(shù)字雙胞胎”。

另外，數(shù)字孿生離不開VR和AR，二者如果實(shí)現(xiàn)了融合，便可拓展出無(wú)限的落地場(chǎng)景。另外，數(shù)字孿生需要大數(shù)據(jù)、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)以及人工智能(AI)等技術(shù)的支持。沒有物聯(lián)網(wǎng)就不可能實(shí)現(xiàn)端與端的連接，而失去傳感器，數(shù)據(jù)就只能孤立存在于現(xiàn)實(shí)物體，更談不上虛擬世界的信息反饋。同樣，離開了AI，數(shù)字模型就等于失去了“大腦”，數(shù)字孿生只能成為僅有軀殼的“胚胎”。而在這一技術(shù)矩陣中，數(shù)字孿生猶如可以點(diǎn)火的引擎，帶動(dòng)各個(gè)技術(shù)細(xì)胞次序活躍與協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)。

二、最活躍的應(yīng)用地帶

數(shù)字孿生對(duì)工業(yè)制造來(lái)說(shuō)非常重要。工業(yè)制造成為了數(shù)字孿生最為活躍的戰(zhàn)場(chǎng)。智能車間與智能工廠是數(shù)字孿生的可視化成果。

隨著最近幾年發(fā)達(dá)國(guó)家先后提出工業(yè)4.0、智能制造以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略，以美國(guó)通用電氣(GE)、德國(guó)西門子等為代表的大型工業(yè)企業(yè)紛紛擁抱數(shù)字孿生，導(dǎo)致工業(yè)制造成為了數(shù)字孿生最為活躍的戰(zhàn)場(chǎng)。

對(duì)于工業(yè)企業(yè)而言，產(chǎn)品無(wú)疑是首先可以數(shù)字孿生的對(duì)象，即從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，到產(chǎn)品的制造均可通過(guò)數(shù)據(jù)建模實(shí)現(xiàn)全流程的監(jiān)控分析，從中既可及時(shí)調(diào)整與完善產(chǎn)品的形狀、結(jié)構(gòu)以及工藝，又可發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量瑕疵，并進(jìn)行同步性修補(bǔ)與改善。同樣的道理，企業(yè)的整條產(chǎn)品生產(chǎn)線也可以數(shù)字孿生，借助賽博空間(計(jì)算機(jī)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)里的虛擬現(xiàn)實(shí))生產(chǎn)線的等價(jià)映射鏡像，提前優(yōu)化生產(chǎn)流程中的資源與要素配置，同時(shí)捕捉與清除相關(guān)的線上堵點(diǎn)，達(dá)到對(duì)整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)活動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)隔離與健康管理。

數(shù)字孿生當(dāng)然可以延伸到后續(xù)服務(wù)層面。比如通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的幾何形狀、性能、歷史銷售、用戶反饋等進(jìn)行建模，就可以改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品運(yùn)行“黑箱”狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的使用與運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品具體功能偏差的同時(shí)，更能提前預(yù)判產(chǎn)品零部件的損壞時(shí)間界面，以便主動(dòng)、及時(shí)和提前提供維護(hù)服務(wù)。根據(jù)知名咨詢公司Gartner發(fā)布的分析報(bào)告，基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品智能服務(wù)，維修人員的響應(yīng)時(shí)間從原來(lái)的300分鐘縮短到了15分鐘，同時(shí)一次性修復(fù)率從75%提升到92%。

智能車間與智能工廠是數(shù)字孿生的可視化成果。任何一個(gè)車間與企業(yè)，都可以將機(jī)器裝備、生產(chǎn)制造體系以及倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備等孿生成賽博空間的等價(jià)數(shù)據(jù)模型，并籍此對(duì)實(shí)體物理基礎(chǔ)設(shè)施的工作狀況進(jìn)行同步及時(shí)的測(cè)試與檢測(cè)，從中揭示人機(jī)匹配與交互程度，勘驗(yàn)固定資產(chǎn)使用壽命和折舊必要性，同時(shí)分析與跟蹤產(chǎn)量進(jìn)度指標(biāo)與產(chǎn)品庫(kù)存態(tài)勢(shì)，預(yù)測(cè)與排除要素搭配中的掣肘與障礙，發(fā)現(xiàn)與糾正生產(chǎn)過(guò)程中的偏差與失誤，確保企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施與生產(chǎn)能力在最佳生命時(shí)段與優(yōu)化情景中運(yùn)行遞進(jìn)。

三、基礎(chǔ)與底座

數(shù)字孿生賦能工業(yè)制造主要體現(xiàn)在：縱向上看，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制造，再到倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸以及后續(xù)服務(wù)，數(shù)字孿生協(xié)助企業(yè)對(duì)全產(chǎn)業(yè)鏈與全生命周期進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)與管理；橫向上看，從智能生產(chǎn)線、到智能車間，再到智能工廠，數(shù)字孿生支持對(duì)企業(yè)所有資產(chǎn)設(shè)備與基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)化與升級(jí)

在工業(yè)制造智能化過(guò)程中，數(shù)字孿生實(shí)際充當(dāng)著基礎(chǔ)與底座的角色，因?yàn)橹悄苤圃煜到y(tǒng)首先要能感知，然后才是分析推理，但如果沒有數(shù)字孿生對(duì)現(xiàn)實(shí)物理設(shè)施與生產(chǎn)制造體系的準(zhǔn)確建模，智能制造系統(tǒng)將是無(wú)源之水�？v向上看，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制造，再到倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸以及后續(xù)服務(wù)，數(shù)字孿生協(xié)助企業(yè)對(duì)全產(chǎn)業(yè)鏈與全生命周期進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)與管理；橫向上看，從智能生產(chǎn)線、到智能車間，再到智能工廠，數(shù)字孿生支持對(duì)企業(yè)所有資產(chǎn)設(shè)備與基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)化與升級(jí)，因此，數(shù)字孿生可以說(shuō)是工業(yè)制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)。

進(jìn)一步從實(shí)踐結(jié)果的觀察不難發(fā)現(xiàn)，數(shù)字孿生體現(xiàn)出的智能化價(jià)值其實(shí)遠(yuǎn)超我們的想象。對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，往往一項(xiàng)新的設(shè)備在首次投入使用時(shí)會(huì)存在風(fēng)險(xiǎn)，比如操作不當(dāng)導(dǎo)致關(guān)鍵零部件或者整套設(shè)備損壞等，但有了數(shù)字孿生，企業(yè)就不需要進(jìn)行不確定性實(shí)地風(fēng)險(xiǎn)測(cè)試，實(shí)體生產(chǎn)過(guò)程都會(huì)在有備無(wú)患的狀態(tài)啟動(dòng)與展開。另外，數(shù)字孿生最特異的功能就是預(yù)測(cè)，一切的未知都會(huì)被數(shù)字孿生揭示出來(lái)，在引導(dǎo)企業(yè)建立起嚴(yán)密的健康管理系統(tǒng)(IVHM)的同時(shí)，數(shù)字孿生屏蔽了企業(yè)運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程中的所有不安因素。還有，賽博空間的數(shù)據(jù)模型一般與實(shí)體物理設(shè)備同步進(jìn)行，傳統(tǒng)狀態(tài)下企業(yè)檢修或者維修機(jī)器設(shè)備，往往會(huì)產(chǎn)生停工停產(chǎn)等不小的機(jī)會(huì)成本，但一旦實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生，所有的故障都首先在桌面上檢測(cè)后排除，繼而反饋到實(shí)體設(shè)備完成檢修任務(wù)，整個(gè)過(guò)程不會(huì)影響到機(jī)器作業(yè)程序，生產(chǎn)效率由此大大提高。

實(shí)體企業(yè)的應(yīng)用案例有力佐證了數(shù)字孿生的重要價(jià)值。目前，GE共擁有120萬(wàn)個(gè)數(shù)字孿生體，號(hào)稱在每個(gè)引擎、每個(gè)渦輪、每臺(tái)核磁共振創(chuàng)造了一個(gè)數(shù)字孿生體，GE因此成為美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的排頭兵；在產(chǎn)品制造領(lǐng)域，勞斯萊斯使用數(shù)字孿生風(fēng)扇葉片來(lái)制造超級(jí)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，產(chǎn)生了降低燃油消耗25%的效果；產(chǎn)品研發(fā)方面，葛蘭素史克疫苗研發(fā)及生產(chǎn)通過(guò)“數(shù)字雙胞胎”的監(jiān)控，企業(yè)的質(zhì)量控制開支減少13%，返工和報(bào)廢減少25%，合規(guī)監(jiān)管費(fèi)用減少了70%。

四、朝著更廣泛的領(lǐng)域滲透

數(shù)字孿生有廣闊前景，主要集中在智慧城市、智慧醫(yī)療等。

除了在工業(yè)制造舞臺(tái)上盡展風(fēng)姿外，數(shù)字孿生還可在工程建筑、醫(yī)學(xué)分析等行業(yè)長(zhǎng)袖善舞，更能在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等領(lǐng)域大顯身手，由此形成了智慧建筑、智慧醫(yī)療以及智慧城市等概念。正是如此，作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)與公共管理的重要技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，數(shù)字孿生可稱得上是全行業(yè)數(shù)字化與智能化的升級(jí)標(biāo)配。

拿工程建筑來(lái)說(shuō)，修建高速公路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施前，設(shè)計(jì)人員可以首先完成對(duì)工程的數(shù)字化建模，然后在賽博空間對(duì)工程進(jìn)行仿真和模擬，評(píng)估工程的結(jié)構(gòu)和承受能力，還可以導(dǎo)入流量數(shù)據(jù)，評(píng)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(hù)階段評(píng)估工程是否可以承擔(dān)特殊情況的壓力，以及監(jiān)測(cè)可能出現(xiàn)的事故隱患。同樣，在醫(yī)療服務(wù)方面，基于患者的健康檔案、就醫(yī)史、用藥史、智能可穿戴設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等信息可在云端為患者建立“醫(yī)療數(shù)字孿生”，并在生物芯片、增強(qiáng)分析、邊緣計(jì)算、人工智能等技術(shù)的支撐下模擬人體運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)療個(gè)體健康狀況預(yù)測(cè)分析和精準(zhǔn)醫(yī)療診斷，并且通過(guò)醫(yī)療數(shù)字孿生在患者體內(nèi)植入生物醫(yī)學(xué)傳感器來(lái)全天監(jiān)控其血糖水平，以提供有關(guān)食物和運(yùn)動(dòng)的建議等。

圖片

基于數(shù)字孿生的巨大價(jià)值，Gartner連續(xù)六年將“數(shù)字孿生”列為當(dāng)年的十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)，并預(yù)測(cè)未來(lái)這一技術(shù)物種還會(huì)產(chǎn)生更大的破壞性創(chuàng)新。據(jù)Gartner統(tǒng)計(jì)，目前全球部署物聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)和組織中已有16%應(yīng)用數(shù)字孿生，62%的組織正在準(zhǔn)備使用數(shù)字孿生。另?yè)?jù)IDC(互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心)的報(bào)告，今年全球頭部超900家企業(yè)都會(huì)使用數(shù)字孿生來(lái)提供產(chǎn)品創(chuàng)新。按照Gartner的預(yù)測(cè)，2023年全球?qū)⒂谐�六成的大型工業(yè)企業(yè)使用數(shù)字孿生，從而使這些企業(yè)的效率提高10%；2024年會(huì)有超過(guò)25%的全新數(shù)字孿生將作為新loT原生業(yè)務(wù)應(yīng)用的綁定功能被采用。另?yè)?jù)IDC預(yù)測(cè)，到2025年，全球數(shù)字孿生市場(chǎng)規(guī)模將增至264.6億美元。（有刪改、圖片源自網(wǎng)絡(luò)）