業(yè)界首份《數(shù)字孿生白皮書》發(fā)布

王改靜

12月19日，由中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院推出的《數(shù)字孿生白皮書（2019）》在2019通信產(chǎn)業(yè)大會(huì)暨第十四屆通信技術(shù)年會(huì)上正式發(fā)布，賽迪工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)首席研究員袁曉慶對(duì)該白皮書進(jìn)行了解讀。

數(shù)字孿生正成為全球信息技術(shù)發(fā)展的新焦點(diǎn)

當(dāng)前，數(shù)字孿生已經(jīng)成為全球信息技術(shù)發(fā)展的新焦點(diǎn)，Gartner認(rèn)為，2019年數(shù)字孿生處于期望膨脹期頂峰，將在未來5年產(chǎn)生破壞性創(chuàng)新。

袁曉慶表示，目前數(shù)字孿生正成為不少跨國(guó)企業(yè)業(yè)務(wù)布局的新方向，像西門子、PTC、達(dá)索、ESI等企業(yè)均有布局。

不僅如此，目前數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展已上升到國(guó)家戰(zhàn)略層面，袁曉慶表示，數(shù)字孿生正成為不少國(guó)家數(shù)字化轉(zhuǎn)型的新抓手，例如，美國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟將數(shù)字孿生作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地的核心和關(guān)鍵、德國(guó)工業(yè)4.0參考架構(gòu)將數(shù)字孿生作為重要內(nèi)容等。

同時(shí)，不少國(guó)家以數(shù)字孿生為抓手，設(shè)立智慧城市的建設(shè)目標(biāo)，比如，我國(guó)的雄安新區(qū)數(shù)字城市及杭州城市大腦、新加坡的虛擬新加坡、法國(guó)的數(shù)字孿生巴黎、加拿大的多倫多高科技社區(qū)。

在車聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)也已經(jīng)成為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，與此同時(shí)還涌現(xiàn)出不少相關(guān)的知名公司。

數(shù)字孿生是什么？

數(shù)字孿生究竟是什么？白皮書給出具體的解答。

袁曉慶表示，白皮書指出數(shù)字孿生是因建模仿真技術(shù)而起、因傳感技術(shù)而興，并將隨著新一代信息技術(shù)群體突破和融合發(fā)展而發(fā)展壯大。經(jīng)歷技術(shù)積累、概念提出、應(yīng)用萌芽、快速發(fā)展四個(gè)階段。

而針對(duì)具體的定義，不少國(guó)外研究機(jī)構(gòu)及國(guó)內(nèi)行業(yè)專家都給出了對(duì)數(shù)字孿生的理解，但通俗來講就是“數(shù)字雙胞胎”，兩個(gè)“人”內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是一樣的，只不過一個(gè)是在物理世界存在，一個(gè)是在“數(shù)字世界”存在。

袁曉慶強(qiáng)調(diào)，白皮書給出的數(shù)字孿生定義是，實(shí)現(xiàn)物理空間在賽博空間交互映射的通用使能技術(shù)。綜合運(yùn)用感知、計(jì)算、建模等信息技術(shù)，通過軟件定義，對(duì)物理空間進(jìn)行描述、診斷、預(yù)測(cè)、決策，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物理空間與賽博空間的交互映射。

其中，白皮書指出，數(shù)字孿生主要涵蓋“12345”五大內(nèi)容。

袁曉慶還表示，數(shù)字孿生典型特征主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、模型支撐、軟件定義、精準(zhǔn)映射、智能決策五方面。

在數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方面，本質(zhì)是就是在比特的汪洋中重構(gòu)原子的運(yùn)行軌道，以數(shù)據(jù)的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)物理世界的資源優(yōu)化。

在模型支撐方面，核心是面向物理實(shí)體和邏輯對(duì)象建立機(jī)理模型或數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，形成物理空間在賽博空間的虛實(shí)交互。

在軟件定義方面，關(guān)鍵是將模型代碼化、標(biāo)準(zhǔn)化，以軟件的形式動(dòng)態(tài)模擬或監(jiān)測(cè)物理空間的真實(shí)狀態(tài)、行為和規(guī)則。

在精準(zhǔn)映射方面，通過感知、建模、軟件等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物理空間在賽博空間的全面呈現(xiàn)、精準(zhǔn)表達(dá)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

在智能決策方面，未來數(shù)字孿生將融合人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物理空間和賽博空間的虛實(shí)互動(dòng)、輔助決策和持續(xù)優(yōu)化。

此外，關(guān)于數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)，袁曉慶表示分為物理層、數(shù)據(jù)層、模型層、功能層四層，可以從三個(gè)視角來看。

從應(yīng)用視角來看，數(shù)字孿生的主要應(yīng)用在智能工廠、車聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、智慧建筑、智慧醫(yī)療等應(yīng)用場(chǎng)景。其中，在智能工廠領(lǐng)域的應(yīng)用是最為廣泛的，不僅可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品迭代式創(chuàng)新、生產(chǎn)制造全過程數(shù)字化管理，而且還可以開展設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)。

從功能視角來看，主要包括描述、診斷、預(yù)測(cè)、決策四個(gè)能力等級(jí)。其中，描述是通過感知設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，對(duì)物理實(shí)體各要素進(jìn)行監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)描述;診斷是分析歷史數(shù)據(jù)、檢查功能、性能變化的原因;預(yù)測(cè)是揭示各類模式的關(guān)系，預(yù)測(cè)未來;決策是在分析過去和預(yù)測(cè)未來的基礎(chǔ)上，對(duì)行為進(jìn)行指導(dǎo)。

從部署視角來看，主要包括設(shè)想、確定方案、試運(yùn)行、產(chǎn)業(yè)化、效果后評(píng)價(jià)五個(gè)階段。

數(shù)字孿生六大應(yīng)用場(chǎng)景

數(shù)字孿生技術(shù)不僅可以讓我們看到產(chǎn)品外部的變化，更重要的是可以看到產(chǎn)品內(nèi)部的每一個(gè)零部件的工作狀態(tài)。

袁曉慶指出，白皮書從數(shù)字化設(shè)計(jì)、虛擬工廠、設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)、智慧城市、車聯(lián)網(wǎng)、智慧醫(yī)療六個(gè)方面介紹了數(shù)字孿生的應(yīng)用場(chǎng)景。

在數(shù)字化設(shè)計(jì)方面，數(shù)字孿生與產(chǎn)品創(chuàng)新融合。達(dá)索、PTC、波音等公司綜合運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)打造產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)字孿生體，在賽博空間進(jìn)行體系化仿真，實(shí)現(xiàn)反饋式設(shè)計(jì)、迭代式創(chuàng)新和持續(xù)性優(yōu)化。

在虛擬工廠方面，數(shù)字孿生與生產(chǎn)制造全過程管理融合。西門子、洛馬等國(guó)外公司，以及華龍迅達(dá)、東方國(guó)信、石化盈科等國(guó)內(nèi)公司，在賽博空間打造映射物理空間的虛擬車間、數(shù)字工廠，推動(dòng)物理實(shí)體與數(shù)字虛體之間數(shù)據(jù)雙向動(dòng)態(tài)交互。

在設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)方面，數(shù)字孿生與設(shè)備管理融合。GE、空客等公司開發(fā)設(shè)備數(shù)字孿生體并與物理實(shí)體同步交付，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備全生命周期數(shù)字化管理，同時(shí)依托現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與數(shù)字孿生體分析，提供產(chǎn)品故障分析、壽命預(yù)測(cè)、遠(yuǎn)程管理等增值服務(wù)，提升用戶體驗(yàn)，降低運(yùn)維成本，強(qiáng)化企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。

在智慧城市方面，數(shù)字孿生與城市運(yùn)行管理融合。通過建設(shè)城市數(shù)字孿生體，以定量與定性結(jié)合的形式，在數(shù)字世界推演天氣環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施、人口土地、產(chǎn)業(yè)交通等要素的交互運(yùn)行，繪制“城市畫像”，支撐決策者在物理世界實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃“一張圖”、城市難題“一眼明”、城市治理“一盤棋”的綜合效益最優(yōu)化布局。

在車聯(lián)網(wǎng)方面，數(shù)字孿生與V2X融合。以百度、谷歌、騰訊等為代表的企業(yè)，積極探索數(shù)字孿生技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，有效實(shí)現(xiàn)了車與人、車、路、設(shè)施的全面連接，極大推動(dòng)了自動(dòng)駕駛智能化水平、交通安全保障水平和公共交通服務(wù)效率的提升。

在智慧醫(yī)療方面，數(shù)字孿生與醫(yī)療服務(wù)融合。達(dá)索、海信等公司嘗試將數(shù)字孿生與醫(yī)療服務(wù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)行機(jī)理和醫(yī)療設(shè)備的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、模擬和仿真，可加快科研創(chuàng)新向臨床實(shí)踐的轉(zhuǎn)化速度，提高醫(yī)療診斷效率、優(yōu)化醫(yī)療設(shè)備質(zhì)控管理。

數(shù)字孿生前景展望

在未來，物理世界中的各種事物都將使用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行復(fù)制。

對(duì)此，袁曉慶表示，白皮書對(duì)數(shù)字孿生未來的發(fā)展前景從宏觀、中觀及微觀進(jìn)行展望。

從宏觀來看，數(shù)字孿生不僅僅是一項(xiàng)通用使能技術(shù)，也將會(huì)是數(shù)字社會(huì)人類認(rèn)識(shí)和改造世界的方法論。從中觀來看，數(shù)字孿生將成為支撐社會(huì)治理和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的發(fā)展范式。從微觀來看，數(shù)字孿生落地的關(guān)鍵是“數(shù)據(jù)+模型”，亟需分領(lǐng)域、分行業(yè)編制數(shù)字孿生模型全景圖譜。

但袁曉慶表示，白皮書也指出，數(shù)字孿生的出現(xiàn)不是概念炒作，而是信息化發(fā)展到一定程度的必然性結(jié)果，數(shù)字孿生正成為人類解構(gòu)、描述、認(rèn)識(shí)物理世界的新型工具。

此外，數(shù)字孿生是一套支撐數(shù)字化轉(zhuǎn)型的綜合技術(shù)體系，技術(shù)在發(fā)展，應(yīng)用在深化，體系在演進(jìn)，其應(yīng)用推廣也是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、演進(jìn)的、長(zhǎng)期的過程。

從具體的技術(shù)發(fā)展來看，數(shù)字孿生主要是由數(shù)據(jù)、模型、軟件三部分構(gòu)成，但我國(guó)在數(shù)據(jù)采集、模型積累、軟件開發(fā)等方面還存在諸多短板，成為制約數(shù)字孿生發(fā)展的瓶頸。

對(duì)于如何突破數(shù)字孿生發(fā)展的“短板”，白皮書指出，當(dāng)前，要堅(jiān)持需求牽引和價(jià)值導(dǎo)向，以需求迫切、基礎(chǔ)較好、潛力巨大的應(yīng)用場(chǎng)景為突破口，在重點(diǎn)領(lǐng)域、重點(diǎn)環(huán)節(jié)率先實(shí)現(xiàn)突破，樹立一批典型模式和樣板。