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數字孿生的本質（咨詢執業筆記）

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來源：中華名師網
2023-05-05

數字孿生的本質（咨詢執業筆記）

—— 何伏全案咨詢知名專家

數字經濟是繼農業經濟、工業經濟之后，隨著信息技術革命發展而產生的一種新的經濟形態，代表著新經濟的生命力，并已成為經濟增長的主要動力源泉和轉型升級的重要驅動力，也是全球新一輪產業競爭的制高點。

大力發展數字經濟已經成為國家實施大數據戰略、助推經濟高質量發展的重要抓手。數字經濟在穩增長、調結構、促轉型中已發揮引領作用。目前，我國數字經濟總體框架已基本構建，具體政策體系將加速成型。其中，“互聯網+”高質量發展的政策體系正醞釀出臺。這一政策體系包括數字經濟整體發展促進政策、規制或治理政策、相關環境政策，以及大數據、人工智能、云計算等數字經濟重要行業發展相關政策。圍繞“互聯網+”及數字經濟的系列重大工程或接續展開。

隨著數字經濟產業如火如荼地發展，互聯網、大數據、人工智能等新技術越來越深入人們的日常生活。人們投入到社交網絡、網絡游戲、電子商務、數字辦公中的時間不斷增多，個人也越來越多地以數字身份出現在社會生活中。可以想象，除去睡眠等占用的無效時間，如果人類每天在數字世界活動的時間超過了有效時間的50%，那么人類的數字化身份會比物理世界的身份更真實有效。

目前，互聯網、大數據、人工智能等新技術越來越深入人們的日常生活。人們投入到社交網絡、網絡游戲、電子商務、數字辦公中的時間不斷增多，個人也越來越多地以數字身份出現在社會生活中。

可以想象，除去睡眠等占用的無效時間，如果人類每天在數字世界活動的時間超過有效時間的50%，那么人類的數字化身份會比物理世界的身份更真實有效。在過去的幾年里，物聯網領域一直流行著一個新的術語：數字孿生（Digital Twin）。

我們再來想象一下未來：當宇航員在遙遠的外太空執行一項緊急的艙外修復任務，沒有時間和空間進行預演，也沒有經驗可借鑒。環境極度危險，機會只有一次，怎么辦？

這時，我們的宇航員不慌不忙，將操作涉及的各項參數、外部環境、時間、溫度等整合在一起，模擬出一個和現實一模一樣的虛擬環境，并對其進行反復實驗，直到找出最佳的操作方式和流程。然后將這套最佳方案輸入到要執行任務的太空機器人程序中，用最精確合理的操作在規定時間內完成艙外修復任務，將危險和失誤降到最低。

其實，這些已不再遙遠，科幻片中的“數字孿生”正快速地成為現實。聽起來神一般的“數字孿生”到底是什么？它可以實現什么樣的功能？又可以為企業帶來什么樣的效益？如何創建數字孿生？目前它在哪些實際應用領域發揮著什么樣的作用呢？

通俗來講，數字孿生是指針對物理世界中的物體，通過數字化的手段構建一個在數字世界中一模一樣的實體，借此來實現對物理實體的了解、分析和優化。從更加專業的角度來說，數字孿生集成了人工智能（AI）和機器學習（ML）等技術，將數據、算法和決策分析結合在一起，建立模擬，即物理對象的虛擬映射，在問題發生之前先發現問題，監控物理對象在虛擬模型中的變化，診斷基于人工智能的多維數據復雜處理與異常分析，并預測潛在風險，合理有效地規劃或對相關設備進行維護。

數字孿生是形成物理世界中某一生產流程的模型及其在數字世界中的數字化鏡像的過程和方法。

數字孿生有五大驅動要素——物理世界的傳感器、數據、集成、分析和促動器，以及持續更新的數字孿生應用程序。

1．傳感器生產流程中配置的傳感器可以發出信號，數字孿生可通過信號獲取與實際流程相關的運營和環境數據。

2．數據傳感器提供的實際運營和環境數據將在聚合后與企業數據合并。企業數據包括物料清單、企業系統和設計規范等，其他類型的數據包括工程圖紙、外部數據源及客戶投訴記錄等。

3．集成傳感器通過集成技術（包括邊緣、通信接口和安全）達成物理世界與數字世界之間的數據傳輸。

4．分析數字孿生利用分析技術開展算法模擬和可視化程序，進而分析數據、提供洞見，建立物理實體和流程的準實時數字化模型。數字孿生能夠識別不同層面偏離理想狀態的異常情況。

5．促動器若確定應當采取行動，則數字孿生將在人工干預的情況下通過促動器展開實際行動，推進實際流程的開展。當然，在實際操作中，流程（或物理實體）及其數字虛擬鏡像明顯比簡單的模型或結構要復雜得多。

“工業4.0”術語編寫組對數字孿生的定義是：利用先進建模和仿真工具構建的，覆蓋產品全生命周期與價值鏈，從基礎材料、設計、工藝、制造及使用維護全部環節，集成并驅動以統一的模型為核心的產品設計、制造和保障的數字化數據流。通過分析這些概念可以發現，數字紐帶為產品數字孿生體提供訪問、整合和轉換能力，其目標是貫通產品全生命周期和價值鏈，實現全面追溯、雙向共享/交互信息、價值鏈協同。

從根本上講，數字孿生是以數字化的形式對某一物理實體過去和目前的行為或流程進行動態呈現，有助于提升企業績效。

伴隨著數字孿生的發展，美國空軍研究實驗室和美國國家航空航天局同時提出了數字紐帶（Digital Thread，也譯為數字主線、數字線程、數字線、數字鏈等）的概念。數字紐帶是一種可擴展、可配置的企業級分析框架，在整個系統的生命周期中，通過提供訪問、整合及將不同的、分散的數據轉換為可操作信息的能力來通知決策制定者。

數字紐帶可無縫加速企業數據—信息—知識系統中的權威/發布數據、信息和知識之間的可控制的相互作用，并允許在能力規劃和分析、初步設計、詳細設計、制造、測試及維護采集階段動態實時評估產品在目前和未來提供決策的能力。

數字紐帶也是一個允許可連接數據流的通信框架，并提供一個包含系統全生命周期各階段孤立功能的集成視圖。數字紐帶為在正確的時間將正確的信息傳遞到正確的地方提供了條件，使系統全生命周期各環節的模型能夠實時進行關鍵數據的雙向同步和溝通。

通過分析和對比數字孿生和數字紐帶的定義可以發現，數字孿生體是對象、模型和數據，而數字紐帶是方法、通道、鏈接和接口，數字孿生體的相關信息是通過數字紐帶進行交換、處理的。以產品設計和制造過程為例，產品數字孿生體與數字紐帶的關系。

簡單地說，數字紐帶貫穿了產品全生命周期，尤其是產品設計、生產、運維的無縫集成；而產品數字孿生體更像是智能產品的映射，它強調的是從產品運維到產品設計的回饋。產品數字孿生體是物理產品的數字化影子，通過與外界傳感器的集成，反映對象從微觀到宏觀的所有特性，展示產品的生命周期的演進過程。

當然，不止產品，生產產品的系統（生產設備、生產線）和使用維護中的系統也要按需建立產品數字孿生體。

“孿生體/雙胞胎”概念在制造領域的使用，最早可追溯到美國國家航空航天局（NASA）的阿波羅項目。在該項目中，NASA需要制造兩個完全一樣的空間飛行器，留在地球上的飛行器被稱為“孿生體”，用來反映（或做鏡像）正在執行任務的空間飛行器的狀態。

在飛行準備期間，被稱為“孿生體”的空間飛行器被廣泛應用于訓練；在任務執行期間，利用該“孿生體”在地球上的精確仿太空模型中進行仿真試驗，并盡可能精確地反映和預測正在執行任務的空間飛行器的狀態，從而輔助太空軌道上的航天員在緊急情況下做出最正確的決策。

從這個角度可以看出，“孿生體”實際上是通過仿真實時反映對象的真實運行情況的樣機或模型。它具有兩個顯著特點：

（1）“孿生體”與其所要反映的對象在外表（指產品的幾何形狀和尺寸）、內容（指產品的結構組成及其宏觀、微觀物理特性）和性質（指產品的功能和性能）上基本完全一樣。

（2）允許通過仿真等方式來鏡像/反映對象的真實運行情況/狀態。需要指出的是，此時的“孿生體”還是實物。

數字孿生能為企業做什么？

技術的發展歷來逃不開一個重要命題，那就是能否為企業創造實際價值。過去，創建數字孿生體的成本高昂，且收效甚微。隨著存儲與計算成本日益走低，數字孿生的應用案例與潛在收益大幅上漲，并轉而提升商業價值。

在探析數字孿生的商業價值時，企業須重點考慮戰略績效與市場動態的相關問題，包括持續提升產品績效、加快設計周期、發掘新的潛在收入來源，以及優化保修成本管理。可根據這些戰略問題，開發相應的應用程序，借助數字孿生創造廣泛的商業價值。如表1-1所示，列舉了數字孿生各種類型的商業價值。

除了上述商業價值領域，數字孿生還可協助制造企業構建關鍵績效指標。綜合而言，數字孿生可用于諸多應用程序，以提升商業價值，并從根本上推動企業開展業務轉型。

其所產生的價值可運用切實結果予以檢測，而這些結果則可追溯至企業關鍵指標。如今，數字孿生越來越被各大廠商重視，并作為一種服務企業的解決方案和手段，可見其潛力巨大。

（1）模擬、監控、診斷、預測和控制產品在現實環境中的形成過程和行為。

（2）從根本上推進產品全生命周期高效協同并驅動持續創新。

ANSYS公司作為仿真領域的領導者，通過與通用電氣密切合作，將其仿真軟件與通用電氣的工業數據及分析云端平臺Predix進行集成，仿真能力與數據分析功能的結合能夠幫助企業獲得戰略性的洞察力信息。

通用電氣為每個引擎、每個渦輪、每臺核磁共振制造一個數字孿生體，通過擬真的數字化模型在虛擬空間進行調試、試驗，即可知道如何讓機器效率達到最高，然后將最優化的方案應用于實體模型上。

（3）數字化產品全生命周期檔案為全過程追溯和持續改進研發奠定了數據基礎。

（4）創造價值趨向無限。利用數字孿生，任何制造商都可以在數據驅動的虛擬環境中進行創建、生成、測試和驗證，這種能力將成為其在未來若干年內的核心競爭力。

自數字孿生的概念被提出以來，其技術在不斷地快速演化，無論是對產品的設計、制造還是服務，都產生了巨大的推動作用。今天的數字化技術正在不斷地改變每一個企業。

未來所有的企業都將數字化，這不只是要求企業開發出具備數字化特征的產品，更是指通過數字化手段改變整個產品全生命周期流程，并通過數字化的手段連接企業的內部和外部環境。產品全生命周期的縮短、產品定制化程度的加強及企業必須同上下游建立起協同的生態環境，都迫使企業不得不采取數字化的手段來加速產品的開發速度，提高生產、服務的有效性，以及提高企業內外部環境的開放性。

數字孿生同沿用了幾十年的、基于經驗的傳統設計和制造理念相去甚遠，使設計人員可以不用通過開發實際的物理原型來驗證設計理念，不用通過復雜的物理實驗來驗證產品的可靠性，不需要進行小批量試制就可以直接預測生產瓶頸，甚至不需要去現場就可以洞悉銷售給客戶的產品運行情況。

因此，這種數字化轉變對傳統工業企業來說可能非常難以改變及適應，但這種方式確實是先進的、契合科技發展方向的，無疑將貫穿產品的生命周期，不僅可以加速產品的開發過程，提高開發和生產的有效性和經濟性，更能有效地了解產品的使用情況并幫助客戶避免損失，還能精準地將客戶的真實使用情況反饋到設計端，實現產品的有效改進。而所有的這一切，都需要企業具備完整的數字化能力，而其中的基礎就是數字孿生。

（1）更便捷，更適合創新。數字孿生通過設計工具、仿真工具、物聯網、虛擬現實等各種數字化的手段，將物理設備的各種屬性映射到虛擬空間中，形成可拆解、可復制、可轉移、可修改、可刪除、可重復操作的數字鏡像，這極大加速了操作人員對物理實體的了解，可以讓很多原來由于物理條件限制、必須依賴于真實的物理實體而無法完成的操作方式（如模擬仿真、批量復制、虛擬裝配等）成為觸手可及的工具，更能激發人們去探索新的途徑來優化設計、制造和服務。

（2）更全面的測量。只要能夠測量，就能夠改善，這是工業領域不變的真理。無論是設計、制造還是服務，都需要精確地測量物理實體的各種屬性、參數和運行狀態，以實現精準的分析和優化。但是傳統的測量方法必須依賴價格昂貴的物理測量工具，如傳感器、采集系統、檢測系統等，才能夠得到有效的測量結果，而這無疑會限制測量覆蓋的范圍，對于很多無法直接采集的測量值的指標往往愛莫能助。而數字孿生則可以借助物聯網和大數據技術，通過采集有限的物理傳感器指標的直接數據，并借助大樣本庫，通過機器學習推測出一些原本無法直接測量的指標。例如，可以利用潤滑油溫度、繞組溫度、轉子扭矩等一系列指標的歷史數據，通過機器學習來構建不同的故障特征模型，間接推測出發電機系統的健康指標。

（3）更全面的分析和預測能力。現有的產品全生命周期管理很少能夠實現精準預測，因此往往無法對隱藏在表象下的問題進行預判。而數字孿生可以結合物聯網的數據采集、大數據的處理和人工智能的建模分析，實現對當前狀態的評估、對過去發生問題的診斷，并給予分析的結果，模擬各種可能性，以及實現對未來趨勢的預測，進而實現更全面的決策支持。

（4）經驗的數字化。在傳統的工業設計、制造和服務領域，經驗往往是一種捉摸不透的東西，很難將其作為精準判決的數字化依據。相比之下，數字孿生技高一籌，它的一大關鍵性進步就是可以通過數字化的手段，將原先無法保存的專家經驗進行數字化，并可以保存、復制、修改和轉移。

例如，針對大型設備運行過程中出現的各種故障特征，可以將傳感器的歷史數據通過機器學習訓練出針對不同故障現象的數字化特征模型，并結合專家處理的記錄，使其形成未來對設備故障狀態進行精準判決的依據，并可針對不同的新形態的故障進行特征庫的豐富和更新，最終形成自治化的智能診斷和判決。

在數字技術賦能傳統行業的過程中，更多的是本身就是輕運營模式的產業得以優先完成數字化，使得重模式實體產業并沒能實現有效轉型。線下業務的線上管理復雜低效，線下信息實時異動不能及時反饋給線上，線上與線下信息對接不上、業務融合不完全。這些問題都在阻礙著數字經濟與傳統產業相互之間的深度滲透，而如何讓兩者結合實現價值最大化，就成了現階段幫助傳統產業全面轉型的首要任務。

在未來，必須深度打磨數字化技術，讓線下產品、業務充分實現數字化，以便線上管理調配。只有實體產業的數字化進程足夠深入，在線下才有可能實現透明化管理。線上信息的透明化一方面能讓消費者通過數據直觀了解產品信息，另一方面也能讓線上平臺根據消費者的數據反饋有效調配線下業務。未來的數字化企業要利用互聯網技術實現操作流程可視化、產品可追蹤化管理。

2023年5月5日星期五于武漢大智無界·空中小鎮