米 鶴

（中央廣播電視總臺(tái)，北京 100020）

1 連接現(xiàn)實(shí)與虛擬

看過(guò)影片《鋼鋼俠》的人肯定不會(huì)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(shè)計(jì)、改良和修復(fù)鋼鋼俠戰(zhàn)衣的過(guò)程中，并沒(méi)有在圖紙或?qū)嶓w上完成操作，只是借助一種虛幻的影像投射情境來(lái)協(xié)助和完成，這種數(shù)字化、可視化以及智能化的場(chǎng)景映射就是數(shù)字孿生。關(guān)于數(shù)字孿生概念，美國(guó)的航空航天局給出的權(quán)威解釋是：數(shù)字孿生是通過(guò)有效應(yīng)用和運(yùn)行歷史、物理模型和傳感器等一些數(shù)據(jù)，對(duì)多尺度和多學(xué)科仿真過(guò)程進(jìn)行集成。在虛擬空間中，數(shù)字孿生作為實(shí)體產(chǎn)品的鏡像，將物理實(shí)體產(chǎn)品全生命周期過(guò)程有效反映出來(lái)。通俗來(lái)講，數(shù)字孿生即將現(xiàn)實(shí)世界中的物理體或者是系統(tǒng)和流程將其復(fù)制到虛擬空間中，進(jìn)而形成一個(gè)“克隆體”，使得兩者最終成為一個(gè)“數(shù)字雙胞胎”。

數(shù)字孿生聽(tīng)著感覺(jué)像自己拍照片一樣簡(jiǎn)單，實(shí)際并非如此。數(shù)字孿生不僅重視實(shí)時(shí)與準(zhǔn)時(shí)創(chuàng)建和物理實(shí)體等價(jià)“克隆體”或數(shù)字模型，更加重要的是它會(huì)“動(dòng)”，就是通過(guò)與物理實(shí)體周邊場(chǎng)景、傳感現(xiàn)實(shí)以及歷史數(shù)據(jù)等結(jié)合起來(lái)分析仿真，為物理實(shí)體的后續(xù)運(yùn)行提供了良好的優(yōu)化與改進(jìn)方案，同時(shí)，還會(huì)輻射物理實(shí)體全生命周期過(guò)程。所以，雙向性，就是本體通過(guò)向?qū)\生體輸出數(shù)據(jù)以構(gòu)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(dǎo)人們穿越虛實(shí)界墻，物理主體和數(shù)字模型通過(guò)自由交互和行走，進(jìn)而使現(xiàn)實(shí)和虛擬世界實(shí)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?yàn)楹笳叩侥壳叭匀皇菃蜗虻?，即人們能夠沉浸其中，而這些又不會(huì)因?yàn)樘囟▓?chǎng)景的存在而進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)和變化。不過(guò)，數(shù)碼孿生也的確離不開(kāi)VR 和AR 科技，也離不開(kāi)大數(shù)據(jù)分析、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)和AI 等科技的幫助。沒(méi)有了物聯(lián)網(wǎng)就不能夠完成端與端的連接，沒(méi)有了傳感器，數(shù)據(jù)就只能孤立地存在于實(shí)際物體中，更別說(shuō)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(dāng)于沒(méi)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(diǎn)燃的引擎，推動(dòng)所有的細(xì)胞次序活躍并協(xié)同工作。

2 最廣的應(yīng)用地帶

從時(shí)間上看，首次應(yīng)用數(shù)字孿生的是美國(guó)國(guó)家航空航天局的阿波羅項(xiàng)目。當(dāng)時(shí)，NASA 首次利用數(shù)據(jù)空間構(gòu)建飛行器模型，并利用傳感器達(dá)到與飛行器實(shí)際情況完全一致，通過(guò)觀察和對(duì)太空飛行器的飛行情況進(jìn)行模擬研究，幫助地面人員做出合理判斷。對(duì)NASA 供應(yīng)商的工業(yè)生產(chǎn)廠家?guī)?lái)了很大的啟發(fā)和觸動(dòng)，特別是在近幾年，一些發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)通用電氣、德國(guó)西門子等為代表的一些大型工業(yè)企業(yè)對(duì)數(shù)字孿生也有了新的認(rèn)識(shí)，使得工業(yè)制造成為數(shù)字孿生中比較活躍的戰(zhàn)場(chǎng)。

對(duì)工業(yè)企業(yè)來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品無(wú)疑是第一個(gè)可以數(shù)字孿生的目標(biāo)，從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)到產(chǎn)品的制作，甚至產(chǎn)品的庫(kù)存和交貨，都能夠利用數(shù)據(jù)建模進(jìn)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(shù)，也能夠找到產(chǎn)品的質(zhì)量缺陷，并加以同步化糾正和改進(jìn)。類似地，公司的整條生產(chǎn)線也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生，通過(guò)對(duì)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)）中生產(chǎn)線上的等價(jià)映射鏡像，可以及時(shí)調(diào)整企業(yè)生產(chǎn)流程中的人力資源和技術(shù)要素分配，并捕捉和消除相應(yīng)的生產(chǎn)線上堵點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)整條企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)隔離和質(zhì)量控制。

數(shù)字孿生同時(shí)也可以擴(kuò)展至后續(xù)業(yè)務(wù)層面。如通過(guò)對(duì)商品的幾何造型、特性、商品歷史銷售、使用者反映等方面進(jìn)行建模，將能夠改變傳統(tǒng)的商品運(yùn)行黑箱狀態(tài)，提前監(jiān)控商品的使用情況和運(yùn)行狀態(tài)，在發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)具體功能誤差的同時(shí)，可以有效提前預(yù)測(cè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)零件的磨損時(shí)間界面，從而主動(dòng)、有效和及時(shí)地進(jìn)行商品維修服務(wù)。而按照國(guó)際著名管理咨詢服務(wù)企業(yè)Gartner 所發(fā)表的數(shù)據(jù)分析報(bào)道，通過(guò)數(shù)字孿生的產(chǎn)品智能控制業(yè)務(wù)，維護(hù)人員的響應(yīng)時(shí)間由最初的300min 減少到了15min，同時(shí)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(gè)企業(yè)和車間都可把生產(chǎn)制造體系和機(jī)器裝備等孿生成為賽博空間等價(jià)數(shù)據(jù)模型，以此來(lái)同步檢測(cè)和測(cè)試實(shí)體物理基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)際工作情況，有效地將人機(jī)匹配交互程度反映出來(lái)，勘驗(yàn)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(jìn)展情況和生產(chǎn)庫(kù)存狀況，預(yù)測(cè)和消除要素配置中的掣肘和阻礙，識(shí)別和修正制造流程中的偏離和失誤，實(shí)現(xiàn)工廠設(shè)施和生產(chǎn)在最佳生命時(shí)間和優(yōu)化場(chǎng)景中的遞進(jìn)化。

智能與數(shù)字化共同驅(qū)動(dòng)在工業(yè)自動(dòng)化過(guò)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(jìn)行分析和邏輯推理。若不是數(shù)字孿生對(duì)現(xiàn)實(shí)物理設(shè)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(wú)源之水?？v觀來(lái)看，從設(shè)計(jì)到產(chǎn)品生產(chǎn)加工，再到庫(kù)存運(yùn)輸與后期服務(wù)，數(shù)字孿生可以幫助公司對(duì)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈與全生命周期實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)和管控；而橫向上看，從智慧工廠設(shè)計(jì)到智慧車間，再到智慧廠房，數(shù)碼孿生支撐著對(duì)公司全部資產(chǎn)設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)化和提升，所以，數(shù)字孿生胞可以說(shuō)是對(duì)工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行數(shù)字化、智能化管理的有力驅(qū)動(dòng)器。

在應(yīng)用環(huán)境中，數(shù)字孿生反映出來(lái)的智能化作用將遠(yuǎn)超人們的預(yù)期。對(duì)企業(yè)而言，通常一個(gè)全新的產(chǎn)品在開(kāi)始投入使用時(shí)會(huì)存在一定的危險(xiǎn)，例如使用錯(cuò)誤造成重要零件甚至整個(gè)系統(tǒng)受損等，而有了數(shù)字孿生，企業(yè)將不需進(jìn)行不確定性實(shí)地風(fēng)險(xiǎn)檢測(cè)，實(shí)體制造流程就能以有備無(wú)患的姿態(tài)開(kāi)啟和進(jìn)行。此外，數(shù)字孿生最特異的作用便是預(yù)測(cè)，所有的不確定性都將通過(guò)數(shù)字孿生展現(xiàn)出來(lái)，在推動(dòng)企業(yè)構(gòu)建完善的質(zhì)量管理體系的同時(shí)，數(shù)字孿生屏蔽了企業(yè)經(jīng)營(yíng)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(shí)體物理系統(tǒng)同步進(jìn)行。一般情況下，企業(yè)保養(yǎng)和維護(hù)機(jī)器設(shè)備經(jīng)常要產(chǎn)生停工停產(chǎn)等不少的機(jī)會(huì)成本，而如果是數(shù)字孿生，所有的問(wèn)題首先都在桌面上檢測(cè)并消除，繼而傳遞給實(shí)物儀器進(jìn)行檢測(cè)處理。整個(gè)流程沒(méi)有干擾儀器工作過(guò)程，企業(yè)工作效率明顯提高。

一些實(shí)體企業(yè)的應(yīng)用案例使得數(shù)字孿生的重要價(jià)值得以體現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)前，美國(guó)通用電氣一共有120 萬(wàn)份數(shù)字孿生體，并聲稱每個(gè)渦輪、引擎以及每臺(tái)核磁共振中都創(chuàng)造了一個(gè)數(shù)字孿生體，進(jìn)而成為美國(guó)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(guò)數(shù)字孿生的風(fēng)扇葉片來(lái)生產(chǎn)超級(jí)噴射發(fā)動(dòng)機(jī)，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(guò)程采用了數(shù)字孿生的監(jiān)控，公司的產(chǎn)品質(zhì)量管理成本降低了13%，產(chǎn)品返工和報(bào)廢降低了25%，合規(guī)的監(jiān)管費(fèi)用也降低了70%。

由于數(shù)碼孿生的重要價(jià)值，Gartner 已持續(xù)4年把數(shù)碼孿生納入了當(dāng)年的十大戰(zhàn)略技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)中，并預(yù)計(jì)在未來(lái)這一科技種類中還會(huì)形成更大的破壞性技術(shù)創(chuàng)新。據(jù)Gartner計(jì)算，在去年全世界部署物聯(lián)網(wǎng)的公司和機(jī)構(gòu)中有13%正在使用數(shù)碼孿生，而62%的機(jī)構(gòu)也正準(zhǔn)備好采用數(shù)碼孿生技術(shù)。另?yè)?jù)IDC（互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心）的報(bào)道，今年全世界600 余家公司都將采用數(shù)碼孿生技術(shù)來(lái)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)革新。而根據(jù)Gartner的預(yù)計(jì)，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(lái)2024年，會(huì)有多達(dá)25%的新型數(shù)碼孿生將成為新loT 原生業(yè)務(wù)應(yīng)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(xué)分析和城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)改善等領(lǐng)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(chǔ)建設(shè)之前，工程設(shè)計(jì)技術(shù)人員能夠先進(jìn)行建筑的數(shù)字化建模，進(jìn)而在賽博空間中對(duì)建筑進(jìn)行仿真和建模，從而評(píng)價(jià)建筑的構(gòu)造和能力，還能夠?qū)氪罅髁繑?shù)據(jù)分析，從而評(píng)價(jià)工程建筑是否能夠適應(yīng)交付使用后的需要。當(dāng)建筑移交后，還能夠在維護(hù)階段評(píng)價(jià)工程建筑是否能夠承受特定狀況的壓力，并且檢測(cè)可能發(fā)生的重大事故隱患。同時(shí)，在城市規(guī)劃建設(shè)方面，基礎(chǔ)建設(shè)（水、電、氣、道路等）的運(yùn)行狀態(tài)及其城市公共重要資源（警務(wù)、醫(yī)護(hù)、消防工作等）的合理調(diào)配狀況，均可以利用電子感應(yīng)器、攝像機(jī)等工具采集起來(lái)，城市管理者可以通過(guò)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(gè)領(lǐng)域的中國(guó)原創(chuàng)科技公司51WORLD，基于數(shù)字孿生提出了“地球克隆計(jì)劃”。51WORLD 認(rèn)為，可以有效通過(guò)結(jié)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)地球的健康護(hù)理。如果可以實(shí)現(xiàn)，那么人類就會(huì)擁有更加廣袤的綠色森林，也會(huì)呼吸更加新鮮的空氣，有效減少和降低新冠病毒的侵?jǐn)_。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，數(shù)字孿生作為近年涌現(xiàn)的新技術(shù)，不僅為進(jìn)行大型復(fù)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?nèi)绾稳谌霐?shù)字化社會(huì)打開(kāi)了一扇新的大門。為人們更好地認(rèn)識(shí)、分析與管控復(fù)雜系統(tǒng)提供了新的視角與思維方法，也為社會(huì)和企業(yè)提升管理水平提供了新的數(shù)字化手段。