向更廣泛領域滲透

數字孿生如何落地
　　工業(yè)和信息化部等五部門日前聯合印發(fā)的《虛擬現實與行業(yè)應用融合發(fā)展行動計劃(2022 ~ 2026 年)》列出了虛擬現實與新一代信息技術進行深度融合的豪華陣容，其中數字孿生就是與 5G、人工智能、大數據、云計算和區(qū)塊鏈并駕齊驅的核心融合軀干。其實，除了中國外，包括德國、美國和日本等許多發(fā)達經濟體都在全力尋找與拓展數字孿生的落地場景，因此，接下來數字孿生將在社會經濟的許多領域尤其是工業(yè)制造方面發(fā)揮出極其強大的賦能作用。

一、橋接現實與虛擬

數字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數據，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品的鏡像，反映了相對應物理實體產品的全生命周期過程。
　　按照美國航空航天局(NASA)給出的解釋，數字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數據，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品的鏡像，反映了相對應物理實體產品的全生命周期過程。通俗點說，數字孿生就是將現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“數字雙胞胎”。

另外，數字孿生離不開VR和AR，二者如果實現了融合，便可拓展出無限的落地場景。另外，數字孿生需要大數據、傳感器、物聯網(IoT)以及人工智能(AI)等技術的支持。沒有物聯網就不可能實現端與端的連接，而失去傳感器，數據就只能孤立存在于現實物體，更談不上虛擬世界的信息反饋。同樣，離開了AI，數字模型就等于失去了“大腦”，數字孿生只能成為僅有軀殼的“胚胎”。而在這一技術矩陣中，數字孿生猶如可以點火的引擎，帶動各個技術細胞次序活躍與協(xié)同運轉。

二、最活躍的應用地帶

數字孿生對工業(yè)制造來說非常重要。工業(yè)制造成為了數字孿生最為活躍的戰(zhàn)場。智能車間與智能工廠是數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)互聯網戰(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)紛紛擁抱數字孿生，導致工業(yè)制造成為了數字孿生最為活躍的戰(zhàn)場。

對于工業(yè)企業(yè)而言，產品無疑是首先可以數字孿生的對象，即從產品的設計，到產品的制造均可通過數據建模實現全流程的監(jiān)控分析，從中既可及時調整與完善產品的形狀、結構以及工藝，又可發(fā)現產品的質量瑕疵，并進行同步性修補與改善。同樣的道理，企業(yè)的整條產品生產線也可以數字孿生，借助賽博空間(計算機以及計算機網絡里的虛擬現實)生產線的等價映射鏡像，提前優(yōu)化生產流程中的資源與要素配置，同時捕捉與清除相關的線上堵點，達到對整個產品生產活動的風險隔離與健康管理。

數字孿生當然可以延伸到后續(xù)服務層面。比如通過對產品的幾何形狀、性能、歷史銷售、用戶反饋等進行建模，就可以改變傳統(tǒng)的產品運行“黑箱”狀態(tài)，實時監(jiān)測產品的使用與運轉狀況，發(fā)現產品具體功能偏差的同時，更能提前預判產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。根據知名咨詢公司Gartner發(fā)布的分析報告，基于數字孿生的產品智能服務，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、生產制造體系以及倉儲設備等孿生成賽博空間的等價數據模型，并籍此對實體物理基礎設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，勘驗固定資產使用壽命和折舊必要性，同時分析與跟蹤產量進度指標與產品庫存態(tài)勢，預測與排除要素搭配中的掣肘與障礙，發(fā)現與糾正生產過程中的偏差與失誤，確保企業(yè)基礎設施與生產能力在最佳生命時段與優(yōu)化情景中運行遞進。

三、基礎與底座

數字孿生賦能工業(yè)制造主要體現在：縱向上看，從產品設計到生產制造，再到倉儲運輸以及后續(xù)服務，數字孿生協(xié)助企業(yè)對全產業(yè)鏈與全生命周期進行動態(tài)預測與管理；橫向上看，從智能生產線、到智能車間，再到智能工廠，數字孿生支持對企業(yè)所有資產設備與基礎設施的優(yōu)化與升級

在工業(yè)制造智能化過程中，數字孿生實際充當著基礎與底座的角色，因為智能制造系統(tǒng)首先要能感知，然后才是分析推理，但如果沒有數字孿生對現實物理設施與生產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，從產品設計到生產制造，再到倉儲運輸以及后續(xù)服務，數字孿生協(xié)助企業(yè)對全產業(yè)鏈與全生命周期進行動態(tài)預測與管理；橫向上看，從智能生產線、到智能車間，再到智能工廠，數字孿生支持對企業(yè)所有資產設備與基礎設施的優(yōu)化與升級，因此，數字孿生可以說是工業(yè)制造企業(yè)實現數字化、智能化的強大驅動。

進一步從實踐結果的觀察不難發(fā)現，數字孿生體現出的智能化價值其實遠超我們的想象。對于企業(yè)來說，往往一項新的設備在首次投入使用時會存在風險，比如操作不當導致關鍵零部件或者整套設備損壞等，但有了數字孿生，企業(yè)就不需要進行不確定性實地風險測試，實體生產過程都會在有備無患的狀態(tài)啟動與展開。另外，數字孿生最特異的功能就是預測，一切的未知都會被數字孿生揭示出來，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，賽博空間的數據模型一般與實體物理設備同步進行，傳統(tǒng)狀態(tài)下企業(yè)檢修或者維修機器設備，往往會產生停工停產等不小的機會成本，但一旦實現數字孿生，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，生產效率由此大大提高。

實體企業(yè)的應用案例有力佐證了數字孿生的重要價值。目前，GE共擁有120萬個數字孿生體，號稱在每個引擎、每個渦輪、每臺核磁共振創(chuàng)造了一個數字孿生體，GE因此成為美國工業(yè)互聯網的排頭兵；在產品制造領域，勞斯萊斯使用數字孿生風扇葉片來制造超級噴氣發(fā)動機，產生了降低燃油消耗25%的效果；產品研發(fā)方面，葛蘭素史克疫苗研發(fā)及生產通過“數字雙胞胎”的監(jiān)控，企業(yè)的質量控制開支減少13%，返工和報廢減少25%，合規(guī)監(jiān)管費用減少了70%。

四、朝著更廣泛的領域滲透

數字孿生有廣闊前景，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，更能在城市基礎設施建設等領域大顯身手，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，作為社會經濟與公共管理的重要技術基礎設施，數字孿生可稱得上是全行業(yè)數字化與智能化的升級標配。

拿工程建筑來說，修建高速公路、橋梁等基礎設施前，設計人員可以首先完成對工程的數字化建模，然后在賽博空間對工程進行仿真和模擬，評估工程的結構和承受能力，還可以導入流量數據，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、智能可穿戴設備監(jiān)測數據等信息可在云端為患者建立“醫(yī)療數字孿生”，并在生物芯片、增強分析、邊緣計算、人工智能等技術的支撐下模擬人體運作，實現對醫(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)療數字孿生在患者體內植入生物醫(yī)學傳感器來全天監(jiān)控其血糖水平，以提供有關食物和運動的建議等。

圖片

基于數字孿生的巨大價值，Gartner連續(xù)六年將“數字孿生”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物種還會產生更大的破壞性創(chuàng)新。據Gartner統(tǒng)計，目前全球部署物聯網的企業(yè)和組織中已有16%應用數字孿生，62%的組織正在準備使用數字孿生。另據IDC(互聯網數據中心)的報告，今年全球頭部超900家企業(yè)都會使用數字孿生來提供產品創(chuàng)新。按照Gartner的預測，2023年全球將有超六成的大型工業(yè)企業(yè)使用數字孿生，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IDC預測，到2025年，全球數字孿生市場規(guī)模將增至264.6億美元。（有刪改、圖片源自網絡）