数字孪生：连接虚拟与现实

对多数实业家来说，“数字孪生（Digital Twin）”一词并不陌生。Chandana Patnaik是Stratview Research的高级内容作家，她认为“数字孪生”是第四次工业革命（新产品、新工艺开发）中的下一件大事。

如果能够看到产品假设场景副本或计划的虚拟结构，你会作何反应呢？假如我们能够在产品上市之前完成理想的全部升级，这是不是很出人意料呢？以上正是数字孪生努力的方向。在这篇文章中，我们将详细介绍这项技术，解析数字孪生在工业世界中的重要地位。

1 数字孪生简介

简单来说，数字孪生就是一个物体（包括生命体和非生命体）的复制品/数字化身，它可以表示任何被表示物体的当前状态。数字孪生可以获取物体的实时数据，有了这些数据，人们可以掌握、了解事物的当前进度和障碍，并针对问题，提出改进措施。

创建出物理产品数据形式的孪生体以后，智能传感器将收集和创建从真实产品到数字孪生体的实时表示。这些传输数据不仅复制了物理产品，还模仿了产品的行为。

接下来，我们来深入了解一下应用数字孪生体时用到的技术。

数字孪生用到了哪些技术？

数字孪生涵盖的范围很广，涉及了许多炙手可热的技术领域，例如人工智能（AI）、物联网（IoT）、区块链、机器学习（ML）和大数据分析等。

AI：AI可以帮助自动分析收集的数据，预测可能的结果，并给出方案以最大限度地减少或抑制潜在问题。

IoT：物联网是数字孪生技术不可分割的基石。数字孪生需要大量信息，物联网传感器能够收集信息并将信息发送到云端以供各类系统使用。

区块链：出于安全性、稳定性方面的考虑，区块链主要用于生成和监控数字孪生，它可以克服安全和安保差距，帮助数字孪生轻松运行。

云计算：简单来说，云计算可以帮助创建和充分利用数字孪生。数字孪生应用程序需要处理大量数据，利用云计算，我们可以将所有数据存储在虚拟云中，从而实现在任何场景下对数据的轻松调用。

扩展现实（XR）：扩展现实是增强现实（AR），虚拟现实（VR），混合现实（MR）技术的统称。通过结合现实和虚拟世界，扩展现实提升了人机交互体验。

机器学习：通过机器学习，系统可以学习训练数据和算法，从而实现对任务的模仿。在机器学习的帮助下，我们可以有效分析无法使用手动编码算法分析的复杂数据集。

大数据分析：数字孪生的作用就是分析数据，“大数据分析”是一种更高级的方法，它可以分析庞大且多样的数据集。

除了复制产品，数字孪生还能干什么？

除了复制产品，数字孪生还可以复制多个对象、流程等。它有多种形式，但主要包括以下三个部分：

产品数字孪生：这部分主要负责捕获产品生命周期，以帮助用户了解产品或其部件之间的互动方式以及环境对组成部件的优化方式。以飞机为例，如果我们想要了解高温天气对发动机性能的影响，我们只需提高飞机数字孪生的温度，无需实际飞行。

过程数字孪生：过程数字孪生不仅增强了产品数字孪生，还优化了设备和整个制造过程。

系统数字孪生：将单个产品复制为更大系统的组件。系统数字孪生结合了产品和流程数字孪生，可以执行产品和流程孪生任务，在各行各业得到了广泛应用。

数字孪生可以在多方面为企业发展提供助益（参见图3），现在，数字孪生技术已经广泛应用于各行各业，包括航空航天与国防，汽车与运输以及医疗保健行业等等。

2021年，数字孪生市场规模为约为72亿美元（68.0亿欧元），预计到2028年将超过920亿美元（868.9亿欧元），年增长率高达44%。数字孪生技术之所以能够高速发展主要是因为：数字孪生为应用该技术的企业、行业提供了诸多助益、行业技术发展迅速、并且还与人工智能、物联网等热门行业相整合。

下面是不同行业的数字孪生用例：

数字孪生正在彻底改变着制造业的运营模式。制造业需要大量投资和高成本设备，从而产生大量数据。在制造业中应用数字孪生技术可以最大限度地降低性能改进、设计定制和产品开发方面的成本和风险。

能源和公用事业公司正在使用数字孪生技术来设计、监控和维护发电厂、电网、输电用电设备。过程数字孪生将来可能会创建电网孪生。

建筑业可以使用数字孪生技术，整合社区和城市，从而实现低成本、高质量发展。例如，2022年1月，拉斯维加斯市公布了市中心的部分数字孪生，该部分面积为7平方公里。

医疗保健——试想如果我们可以在没有任何实质性风险的情况下，预见实验性治疗对患者的影响，这将会是多么安全！现在，生成患者的孪生体并收集连续的细胞水平数据已经成为可能。不仅如此，这项技术还可以实现医疗设备开发、疾病演示和医院运营等的数字化，生成相应的孪生体。

数字孪生给各行各业带来了巨大收益，它可以在不确定的阶段提供确定性。研究表明，数字孪生技术能够将收入增加10%，并将产品质量提高25%。

虽然数字孪生将来可以提升各行各业智能性的说法似乎有点牵强，但事实是，它已经在这样做了。

尽管数字孪生技术可以带来诸多好处，但这项技术的推广仍然面临着一些阻碍，这使得数字孪生技术仅仅存在于很多公司的规划蓝图当中，难以付诸实践。因为这项技术仍处于探索阶段，需要大量投资，一些组织还未将其纳入运营。但是，星星之火，可以燎原，数字孪生正乘着技术发展的东风，逐渐形成燎原之势。

来源 | iotnow

Edgenesis编译