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)實與行業(yè)應用融合發(fā)展行動計劃(2022 ~ 2026 年)》列出了虛擬現(xiàn)實與新一代信息技術(shù)進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)、云計算和區(qū)塊鏈并駕齊驅(qū)的核心融合軀干。其實，除了中國外，包括德國、美國和日本等許多發(fā)達經(jīng)濟體都在全力尋找與拓展數(shù)字孿生的落地場景，因此，接下來數(shù)字孿生將在社會經(jīng)濟的許多領(lǐng)域尤其是工業(yè)制造方面發(fā)揮出極其強大的賦能作用。
一、橋接現(xiàn)實與虛擬
數(shù)字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對實體產(chǎn)品的鏡像，反映了相對應物理實體產(chǎn)品的全生命周期過程。
按照美國航空航天局(NASA)給出的解釋，數(shù)字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對實體產(chǎn)品的鏡像，反映了相對應物理實體產(chǎn)品的全生命周期過程。通俗點說，數(shù)字孿生就是將現(xiàn)實世界的物理體或者系統(tǒng)以及流程等復制到虛擬空間，生成一個“克隆體”，二者最終組成一個“數(shù)字雙胞胎”。
另外，數(shù)字孿生離不開VR和AR，二者如果實現(xiàn)了融合，便可拓展出無限的落地場景。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)字孿生猶如可以點火的引擎，帶動各個技術(shù)細胞次序活躍與協(xié)同運轉(zhuǎn)。
二、最活躍的應用地帶
數(shù)字孿生對工業(yè)制造來說非常重要。工業(yè)制造成為了數(shù)字孿生最為活躍的戰(zhàn)場。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)達國家先后提出工業(yè)4.0、智能制造以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略，以美國通用電氣(GE)、德國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，導致工業(yè)制造成為了數(shù)字孿生最為活躍的戰(zhàn)場。
對于工業(yè)企業(yè)而言，產(chǎn)品無疑是首先可以數(shù)字孿生的對象，即從產(chǎn)品的設(shè)計，到產(chǎn)品的制造均可通過數(shù)據(jù)建模實現(xiàn)全流程的監(jiān)控分析，從中既可及時調(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，并進行同步性修補與改善。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(計算機以及計算機網(wǎng)絡里的虛擬現(xiàn)實)生產(chǎn)線的等價映射鏡像，提前優(yōu)化生產(chǎn)流程中的資源與要素配置，同時捕捉與清除相關(guān)的線上堵點，達到對整個產(chǎn)品生產(chǎn)活動的風險隔離與健康管理。
數(shù)字孿生當然可以延伸到后續(xù)服務層面。比如通過對產(chǎn)品的幾何形狀、性能、歷史銷售、用戶反饋等進行建模，就可以改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品運行“黑箱”狀態(tài)，實時監(jiān)測產(chǎn)品的使用與運轉(zhuǎn)狀況，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品具體功能偏差的同時，更能提前預判產(chǎn)品零部件的損壞時間界面，以便主動、及時和提前提供維護服務。根據(jù)知名咨詢公司Gartner發(fā)布的分析報告，基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品智能服務，維修人員的響應時間從原來的300分鐘縮短到了15分鐘，同時一次性修復率從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。任何一個車間與企業(yè)，都可以將機器裝備、生產(chǎn)制造體系以及倉儲設(shè)備等孿生成賽博空間的等價數(shù)據(jù)模型，并籍此對實體物理基礎(chǔ)設(shè)施的工作狀況進行同步及時的測試與檢測，從中揭示人機匹配與交互程度，勘驗固定資產(chǎn)使用壽命和折舊必要性，同時分析與跟蹤產(chǎn)量進度指標與產(chǎn)品庫存態(tài)勢，預測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)能力在最佳生命時段與優(yōu)化情景中運行遞進。
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)計到生產(chǎn)制造，再到倉儲運輸以及后續(xù)服務，數(shù)字孿生協(xié)助企業(yè)對全產(chǎn)業(yè)鏈與全生命周期進行動態(tài)預測與管理；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
在工業(yè)制造智能化過程中，數(shù)字孿生實際充當著基礎(chǔ)與底座的角色，因為智能制造系統(tǒng)首先要能感知，然后才是分析推理，但如果沒有數(shù)字孿生對現(xiàn)實物理設(shè)施與生產(chǎn)制造體系的準確建模，智能制造系統(tǒng)將是無源之水。縱向上看，從產(chǎn)品設(shè)計到生產(chǎn)制造，再到倉儲運輸以及后續(xù)服務，數(shù)字孿生協(xié)助企業(yè)對全產(chǎn)業(yè)鏈與全生命周期進行動態(tài)預測與管理；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，因此，數(shù)字孿生可以說是工業(yè)制造企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化、智能化的強大驅(qū)動。
進一步從實踐結(jié)果的觀察不難發(fā)現(xiàn)，數(shù)字孿生體現(xiàn)出的智能化價值其實遠超我們的想象。對于企業(yè)來說，往往一項新的設(shè)備在首次投入使用時會存在風險，比如操作不當導致關(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)就不需要進行不確定性實地風險測試，實體生產(chǎn)過程都會在有備無患的狀態(tài)啟動與展開。另外，數(shù)字孿生最特異的功能就是預測，一切的未知都會被數(shù)字孿生揭示出來，在引導企業(yè)建立起嚴密的健康管理系統(tǒng)(IVHM)的同時，數(shù)字孿生屏蔽了企業(yè)運營管理過程中的所有不安因素。還有，賽博空間的數(shù)據(jù)模型一般與實體物理設(shè)備同步進行，傳統(tǒng)狀態(tài)下企業(yè)檢修或者維修機器設(shè)備，往往會產(chǎn)生停工停產(chǎn)等不小的機會成本，但一旦實現(xiàn)數(shù)字孿生，所有的故障都首先在桌面上檢測后排除，繼而反饋到實體設(shè)備完成檢修任務，整個過程不會影響到機器作業(yè)程序，生產(chǎn)效率由此大大提高。
實體企業(yè)的應用案例有力佐證了數(shù)字孿生的重要價值。目前，GE共擁有120萬個數(shù)字孿生體，號稱在每個引擎、每個渦輪、每臺核磁共振創(chuàng)造了一個數(shù)字孿生體，GE因此成為美國工業(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)字孿生風扇葉片來制造超級噴氣發(fā)動機，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“數(shù)字雙胞胎”的監(jiān)控，企業(yè)的質(zhì)量控制開支減少13%，返工和報廢減少25%，合規(guī)監(jiān)管費用減少了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)制造舞臺上盡展風姿外，數(shù)字孿生還可在工程建筑、醫(yī)學分析等行業(yè)長袖善舞，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，作為社會經(jīng)濟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標配。
拿工程建筑來說，修建高速公路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施前，設(shè)計人員可以首先完成對工程的數(shù)字化建模，然后在賽博空間對工程進行仿真和模擬，評估工程的結(jié)構(gòu)和承受能力，還可以導入流量數(shù)據(jù)，評估工程是否可以滿足投入使用后的需求；工程交付后，還可以在維護階段評估工程是否可以承擔特殊情況的壓力，以及監(jiān)測可能出現(xiàn)的事故隱患。同樣，在醫(yī)療服務方面，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、增強分析、邊緣計算、人工智能等技術(shù)的支撐下模擬人體運作，實現(xiàn)對醫(yī)療個體健康狀況預測分析和精準醫(yī)療診斷，并且通過醫(yī)療數(shù)字孿生在患者體內(nèi)植入生物醫(yī)學傳感器來全天監(jiān)控其血糖水平，以提供有關(guān)食物和運動的建議等。
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基于數(shù)字孿生的巨大價值，Gartner連續(xù)六年將“數(shù)字孿生”列為當年的十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢，并預測未來這一技術(shù)物種還會產(chǎn)生更大的破壞性創(chuàng)新。據(jù)Gartner統(tǒng)計，目前全球部署物聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)和組織中已有16%應用數(shù)字孿生，62%的組織正在準備使用數(shù)字孿生。另據(jù)IDC(互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心)的報告，今年全球頭部超900家企業(yè)都會使用數(shù)字孿生來提供產(chǎn)品創(chuàng)新。按照Gartner的預測，2023年全球?qū)⒂谐傻拇笮凸I(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年會有超過25%的全新數(shù)字孿生將作為新loT原生業(yè)務應用的綁定功能被采用。另據(jù)IDC預測，到2025年，全球數(shù)字孿生市場規(guī)模將增至264.6億美元。（有刪改、圖片源自網(wǎng)絡）
