數(shù)字孿生：別樣的“鏡花水月”

樂佳

什么是數(shù)字孿生

數(shù)字孿生（Digital Twin）的概念最早是由密西根大學(xué)的Michael Grieves教授在其2002年發(fā)表的一篇文章中提出的。目前，對(duì)于數(shù)字孿生的通用定義為：充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。我們將上述定義中一些復(fù)雜的技術(shù)性概念剔除掉后，可以將其簡(jiǎn)化為：數(shù)字孿生完成的是現(xiàn)實(shí)世界中物理模型在虛擬空間的映射。

我們可以用照鏡子的例子來更加形象地加以描述：數(shù)字孿生就好比是一面“鏡子”，它通過各種感知技術(shù)采集現(xiàn)實(shí)世界中物理模型的各種數(shù)據(jù)，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)，通過數(shù)字技術(shù)在虛擬空間中投影出一個(gè)和該物品完全一模一樣的實(shí)體。但和通過現(xiàn)實(shí)世界中的鏡子我們只能看到物品的外觀不同，通過數(shù)字孿生這面“鏡子”我們還能看到該物品內(nèi)部的構(gòu)造，而且在這面“鏡子”中物品是立體的，甚至是可以“觸碰”的。不僅如此，我們還能通過這面“鏡子”實(shí)時(shí)觀察物品內(nèi)部的運(yùn)行情況，監(jiān)控各種運(yùn)行參數(shù)。比如我們使用數(shù)字孿生映射了一臺(tái)汽車，并在我們的數(shù)字設(shè)備中進(jìn)行了可視化，我們得到了和這臺(tái)汽車無論外形還是內(nèi)部構(gòu)造都一模一樣的數(shù)字實(shí)體，由于在運(yùn)行過程中，這臺(tái)汽車和它的數(shù)字實(shí)體中的各個(gè)汽車零部件的運(yùn)行參數(shù)是實(shí)時(shí)同步的，我們便可以使用這個(gè)數(shù)字實(shí)體來實(shí)時(shí)監(jiān)控我們汽車的健康狀況，甚至可以通過修改數(shù)字實(shí)體來達(dá)到修改汽車實(shí)際運(yùn)行參數(shù)的目的。

目前，數(shù)字孿生還是一個(gè)較新的概念，還處于發(fā)展的早期階段，離我們描述中的場(chǎng)景還有較遠(yuǎn)的路要走，結(jié)合當(dāng)前5G、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等高新技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)來看，數(shù)字孿生未來將在工業(yè)制造、智能家居和智能醫(yī)療等領(lǐng)域有較大的應(yīng)用場(chǎng)景。

數(shù)字孿生與工業(yè)制造

在未來，數(shù)字孿生無疑會(huì)為工業(yè)制造領(lǐng)域帶來巨大的變革，任何一個(gè)產(chǎn)品在其設(shè)計(jì)和研發(fā)之初，便使用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建一個(gè)與之完全對(duì)應(yīng)的數(shù)字實(shí)體，這個(gè)數(shù)字會(huì)伴隨這個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)制造、上線運(yùn)行的整個(gè)生命周期，方便生產(chǎn)者和使用者對(duì)其整個(gè)生命期中，各個(gè)重要部件和參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及運(yùn)維管理。我們以一架飛機(jī)的制造為例加以說明：在一架飛機(jī)的設(shè)計(jì)階段，可以使用數(shù)字孿生并結(jié)合以往的歷史數(shù)據(jù)來設(shè)計(jì)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)和模型，并通過模擬實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證相關(guān)的設(shè)計(jì)在各種環(huán)境下的性能;在生產(chǎn)階段則可以利用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控各項(xiàng)生產(chǎn)指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)問題時(shí)可以及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)策略，從而提高生產(chǎn)的效率和質(zhì)量;當(dāng)飛機(jī)交付運(yùn)行后則可以利用數(shù)字孿生技術(shù)來實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)的運(yùn)行情況，從而幫助運(yùn)維人員制定更好的運(yùn)維策略。實(shí)際上，當(dāng)前已經(jīng)有很多制造行業(yè)（如：汽車、飛機(jī)等）開始引入簡(jiǎn)單的數(shù)字孿生技術(shù)來提高產(chǎn)品制造的效率和質(zhì)量。波音首席執(zhí)行官Dennis Muilenburg就曾明確表示：“數(shù)字孿生技術(shù)讓飛機(jī)的質(zhì)量提升了 40%-50%，我們依然處于這項(xiàng)技術(shù)很早期的階段。相信未來，數(shù)字孿生和工業(yè)制造一定能擦出更多火花。”

數(shù)字孿生與智能生活

隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能的興起，我們的家居生活將變得越來越智能;數(shù)字孿生將為智能家居中的各種智能家用設(shè)備（如：智能電視、智能冰箱、智能掃地機(jī)器人等）的統(tǒng)一管理提供較好的解決方案。數(shù)字孿生技術(shù)將為這些智能設(shè)備的管理提供一個(gè)“所見即所得”的管理方式，從而使得智能家居更加智能和高效。

在未來，我們可能一出生便會(huì)有一個(gè)和自己一模一樣的數(shù)字孿生體，這個(gè)孿生體將和我們一起成長(zhǎng)，通過它我們可以實(shí)時(shí)了解自己的身體情況：心跳速率、血壓、疾病情況等。從而方便我們根據(jù)身體的實(shí)際情況制定相關(guān)的飲食方案以及運(yùn)動(dòng)計(jì)劃。此外，當(dāng)身體出現(xiàn)狀況時(shí)，會(huì)及時(shí)通知我們，并為我們提供身體機(jī)能的歷史數(shù)據(jù)，方便我們及時(shí)就醫(yī)并制定相關(guān)的治療方案。

目前來看，數(shù)字孿生還是襁褓中的嬰兒，但長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，其未來必將改變我們工作和生活的方方面面。