數(shù)字孿生近些年可謂炙手可熱。虛擬偶像、虛擬主播、數(shù)字藏品等等新聞?lì)l頻登上新聞?lì)^條?？梢灶A(yù)見：隨著技術(shù)的迭代發(fā)展，基于數(shù)字孿生、區(qū)塊鏈等新一代技術(shù)的協(xié)作開發(fā)框架越來越越明顯。然而，很多開發(fā)者并沒有搞清楚數(shù)字孿生的設(shè)計(jì)理念和工作原理。希望此文能幫助到大家。

疫情下的數(shù)字孿生

數(shù)字孿生是跨越其生命周期的對象或系統(tǒng)的虛擬表示，從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新，到并使用仿真模擬、機(jī)器學(xué)習(xí)和推理來幫助決策。數(shù)字孿生(資產(chǎn)或系統(tǒng)的虛擬復(fù)制品)歷來用于工程和建設(shè)。但即將出現(xiàn)一種新的用途：應(yīng)對當(dāng)前的新冠疫情以及任何未來的疫情。

根據(jù) MarketsandMarkets 發(fā)布的一份研究報(bào)告《按技術(shù)、類型(產(chǎn)品、流程和系統(tǒng))、應(yīng)用(預(yù)測性維護(hù))、行業(yè)(航空航天和國防、汽車和運(yùn)輸、醫(yī)療保健)和地理劃分的數(shù)字孿生市場——2026 年全球預(yù)測》，2020 年，數(shù)字孿生市場價(jià)值 31 億美元，預(yù)計(jì)到 2026 年將達(dá)到 482 億美元，2020 年至 2026 年的復(fù)合年增長率為 58.0%。

由于COVID-19流行病的爆發(fā)、維護(hù)的改變，以及越來越多地采用數(shù)字孿生解決方案來應(yīng)對COVID-19流行病，越來越多的數(shù)字孿生在醫(yī)療和制藥工業(yè)中的需求是推動數(shù)字孿生市場增長的關(guān)鍵因素。

近期，愛爾蘭科克理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)在《計(jì)算智能與神經(jīng)科學(xué)》雜志2022年的一期特刊中概述了他們用數(shù)字孿生應(yīng)對新冠疫情爆發(fā)的計(jì)劃。據(jù)團(tuán)隊(duì)聲稱，需要一套去中心化的、基于區(qū)塊鏈的協(xié)作數(shù)字孿生框架?？蚣苋ブ行幕瘜Q策和控制從集中式網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)移到分布式網(wǎng)絡(luò)，從而提供了很強(qiáng)的隱私(對醫(yī)療保健相關(guān)數(shù)據(jù)而言至關(guān)重要)，同時(shí)確保系統(tǒng)透明。

筆文章作者認(rèn)為，結(jié)合數(shù)字孿生和區(qū)塊鏈?zhǔn)菢?gòu)建安全、去中心化的醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)(MCPS)的“正確之道”，該系統(tǒng)集成了醫(yī)療設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。其想法是，參與者(比如患者、醫(yī)生或醫(yī)院)由部署在 MCPS 中的多個(gè)數(shù)字孿生來表示。數(shù)字孿生協(xié)作和交互，共享數(shù)據(jù)，并執(zhí)行實(shí)時(shí)預(yù)測;所預(yù)測的風(fēng)險(xiǎn)讓 MCPS 可以就封鎖、限制和隔離給出建議。

用于MCPS的基于區(qū)塊鏈的協(xié)作數(shù)字孿生

數(shù)字孿生技術(shù)的歷史

1991 年，耶魯大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)教授 David Gelernter 首次提出了數(shù)字孿生的概念。然而，密歇根大學(xué) Michael Grieves 博士被認(rèn)為是2002年首次將數(shù)字孿生概念應(yīng)用于制造業(yè)，并正式宣布了數(shù)字孿生的軟件概念。最終，美國國家航空航天局的技術(shù)專家John Vickers在2010年引入了數(shù)字孿生這個(gè)術(shù)語。

然而，使用數(shù)字孿生作為研究物理對象的手段的核心思想早已有之。事實(shí)上，可以說美國國家航空航天局在上世紀(jì)60年代的太空探索任務(wù)中率先使用了數(shù)字孿生技術(shù)，每個(gè)航天器在當(dāng)時(shí)都被精確復(fù)制成相同的模型，供美國國家航空航天局工作人員用于研究和模擬。

數(shù)字孿生如何工作？

數(shù)字孿生是一種虛擬模型，旨在準(zhǔn)確反映物理對象。研究對象(例如風(fēng)力渦輪機(jī))配備了與重要功能領(lǐng)域相關(guān)的各種傳感器。這些傳感器產(chǎn)生有關(guān)物理對象性能不同方面的數(shù)據(jù)(例如能量輸出、溫度、天氣條件等)，然后將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到處理系統(tǒng)并應(yīng)用于數(shù)字副本。

一旦獲得此類數(shù)據(jù)，虛擬模型可用于運(yùn)行仿真技術(shù)、研究性能問題并帶來可能的改進(jìn)，所有這些都是為了產(chǎn)生有價(jià)值的見解，然后可以將其應(yīng)用回原始物理對象。

數(shù)字孿生vs.仿真技術(shù)

盡管仿真技術(shù)和數(shù)字孿生都利用數(shù)字模型來復(fù)制系統(tǒng)的各種過程，但數(shù)字孿生實(shí)際上是一個(gè)虛擬環(huán)境，這使得它的研究更加豐富。數(shù)字孿生和模擬之間的區(qū)別主要在于規(guī)模問題：雖然模擬通常是研究一個(gè)特定的過程，但數(shù)字孿生本身可以運(yùn)行任意數(shù)量的有用模擬來研究多個(gè)過程。

它們的差異并不止于此。例如，仿真技術(shù)通常不會從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中受益。但數(shù)字孿生是圍繞雙向信息流設(shè)計(jì)的，首先在對象傳感器向系統(tǒng)處理器提供相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)生，然后在處理器創(chuàng)建的見解與原始源對象共享回時(shí)再次發(fā)生。

通過擁有與廣泛領(lǐng)域相關(guān)的更好且不斷更新的數(shù)據(jù)，再加上虛擬環(huán)境帶來的額外計(jì)算能力，數(shù)字孿生能夠從比模擬更多的有利位置研究更多問題，并在改進(jìn)產(chǎn)品和流程方面具有更大的潛力。

數(shù)字孿生的類型

根據(jù)產(chǎn)品放大倍數(shù)的不同，有多種類型的數(shù)字孿生。這對數(shù)字孿生最大的區(qū)別在于應(yīng)用領(lǐng)域。不同類型的數(shù)字孿生在系統(tǒng)或流程中共存是很常見的。以下通過數(shù)字孿生的類型來了解差異以及它們的應(yīng)用方式。

(1)組件孿生/零件孿生

組件孿生是數(shù)字孿生的基本單元，是功能組件的最小示例。零件孿生也大致相同，但屬于不太重要的組件。

(2)資產(chǎn)孿生

當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)組件一起工作時(shí)，它們就形成了所謂的資產(chǎn)。資產(chǎn)孿生讓企業(yè)可以研究這些組件的交互，創(chuàng)建大量可以處理的性能數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)化為可操作的步驟。

(3)系統(tǒng)孿生或單元孿生

下一級別的放大將涉及系統(tǒng)孿生或單元孿生，這使人們能夠看到不同的資產(chǎn)如何組合在一起形成一個(gè)完整的功能系統(tǒng)。系統(tǒng)孿生提供有關(guān)資產(chǎn)交互的可見性，并可能建議性能增強(qiáng)。

(4)過程孿生

過程孿生(放大的宏觀層面)揭示了系統(tǒng)如何協(xié)同工作以創(chuàng)建整個(gè)生產(chǎn)設(shè)施。這些系統(tǒng)是否都同步以最高效率運(yùn)行，或者一個(gè)系統(tǒng)的延遲會影響其他系統(tǒng)?流程孿生可以幫助確定最終影響整體效率的精確時(shí)序方案。

數(shù)字孿生的優(yōu)點(diǎn)和好處

(1)更好地的研發(fā)

使用數(shù)字孿生可以更有效地研究和設(shè)計(jì)產(chǎn)品，并創(chuàng)建大量關(guān)于性能結(jié)果的數(shù)據(jù)。這些信息可以幫助企業(yè)在開始生產(chǎn)前對產(chǎn)品進(jìn)行必要的改進(jìn)。

(2)更高的效率

即使在新產(chǎn)品投入生產(chǎn)之后，數(shù)字孿生也可以幫助鏡像和監(jiān)控生產(chǎn)系統(tǒng)，著眼于在整個(gè)制造過程中實(shí)現(xiàn)和保持最高效率。

(3)處理工作壽命結(jié)束的產(chǎn)品

數(shù)字孿生甚至可以幫助制造商決定如何處理工作壽命結(jié)束的產(chǎn)品，并需要通過回收或其他措施進(jìn)行最終處理。通過使用數(shù)字孿生，他們可以確定能夠回收哪些材料。

數(shù)字孿生市場和行業(yè)

雖然數(shù)字孿生因其提供的功能而備受推崇，但并不保證每個(gè)制造商或創(chuàng)建的每個(gè)產(chǎn)品都可以使用它們。并非每個(gè)對象都很復(fù)雜，以至于需要數(shù)字孿生所需的密集且定期的傳感器數(shù)據(jù)流。而從財(cái)務(wù)角度來看，投入大量資源來創(chuàng)建數(shù)字孿生并不總是值得的。需要記住的是，數(shù)字孿生是物理對象的精確復(fù)制品，這可能使它的其創(chuàng)建成本高昂。

另一方面，許多類型的項(xiàng)目確實(shí)特別受益于數(shù)字模型的使用：

•大型項(xiàng)目建筑、橋梁和其他受嚴(yán)格工程規(guī)則約束的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

•機(jī)械復(fù)雜的項(xiàng)目(例如噴氣式渦輪機(jī)、汽車和飛機(jī))。數(shù)字孿生可以幫助提高復(fù)雜的機(jī)械和大型發(fā)動機(jī)的效率。

•電力設(shè)備包括發(fā)電和電力傳輸?shù)臋C(jī)制。

•制造項(xiàng)目的數(shù)字孿生在幫助簡化流程效率方面表現(xiàn)出色，正如人們在具有協(xié)同功能機(jī)器系統(tǒng)的工業(yè)環(huán)境中所發(fā)現(xiàn)的那樣。

因此，在數(shù)字孿生方面取得最大成功的行業(yè)是那些涉及大型產(chǎn)品或項(xiàng)目的行業(yè)：

•工程(系統(tǒng))

•汽車制造

•飛機(jī)生產(chǎn)

•軌道設(shè)計(jì)

•建筑施工

•制造業(yè)

•電力設(shè)施

蓄勢待發(fā)的數(shù)字孿生市場

快速擴(kuò)張的數(shù)字孿生市場表明，雖然數(shù)字孿生已經(jīng)在許多行業(yè)中使用，但對數(shù)字孿生的需求將在一段時(shí)間內(nèi)繼續(xù)升上升級。2020 年，數(shù)字孿生市場規(guī)模為 31 億美元。一些行業(yè)分析師推測，它至少會在 2026 年之前繼續(xù)大幅上升，估計(jì)攀升至 482 億美元。

通過數(shù)字孿生提高制造效率

使用端到端數(shù)字孿生可以讓所有者/運(yùn)營商減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間，同時(shí)提高產(chǎn)量。探索由IBM公司和西門子公司創(chuàng)建的服務(wù)生命周期管理解決方案。

數(shù)字孿生的應(yīng)用

數(shù)字孿生技術(shù)已廣泛用在以下應(yīng)用場合中：

(1)發(fā)電設(shè)備

大型發(fā)動機(jī)(包括噴氣發(fā)動機(jī)、機(jī)車發(fā)動機(jī)和發(fā)電渦輪機(jī))從數(shù)字孿生的使用中受益匪淺，特別是在幫助建立定期維護(hù)的時(shí)間表方面。

(2)物理結(jié)構(gòu)及其系統(tǒng)

大型建筑物或海上鉆井平臺等大型物理結(jié)構(gòu)可以通過數(shù)字孿生進(jìn)行改進(jìn)，尤其是在設(shè)計(jì)過程中。也可用于設(shè)計(jì)在這些結(jié)構(gòu)內(nèi)運(yùn)行的系統(tǒng)，例如HVAC系統(tǒng)。

(3)制造業(yè)務(wù)

由于數(shù)字孿生旨在反映產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，因此數(shù)字孿生在制造的各個(gè)階段無處不在，指導(dǎo)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到成品以及其間的所有步驟也就不足為奇了。

(4)醫(yī)療保健服務(wù)

正如可以通過使用數(shù)字孿生對產(chǎn)品進(jìn)行分析一樣，接受醫(yī)療保健服務(wù)的患者也可以采用數(shù)字孿生。相同類型的傳感器生成數(shù)據(jù)系統(tǒng)可用于跟蹤各種健康指標(biāo)并生成關(guān)鍵見解。

(5)汽車行業(yè)

汽車是許多類型的復(fù)雜、協(xié)同工作的系統(tǒng)，數(shù)字孿生廣泛應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)中，既可以提高汽車性能，也可以提高生產(chǎn)效率。

(6)城市規(guī)劃

土木工程師和其他參與城市規(guī)劃活動的人員可以通過使用數(shù)字孿生得到了極大的幫助，數(shù)字孿生可以實(shí)時(shí)顯示 3D 和 4D 空間數(shù)據(jù)，還可以將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)納入建筑環(huán)境。

數(shù)字孿生技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

在部署數(shù)字孿生系統(tǒng)之前，須克服幾大技術(shù)挑戰(zhàn)。比如說，時(shí)間和速度是數(shù)字孿生面臨的一大問題。解決方案可能是本地存儲從閉路電視等監(jiān)控技術(shù)收集而來的數(shù)據(jù)，但這同樣也會帶來了數(shù)據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)。另一大問題：需要超 5G(B5G) 或 6G 之類的先進(jìn)通信技術(shù)，以處理必須快速傳輸?shù)拇罅繑?shù)據(jù)。

然而兩者都處于研究階段，還不是實(shí)用的技術(shù)。邊緣機(jī)器學(xué)習(xí)將“計(jì)算”從數(shù)據(jù)中心帶到更接近實(shí)際操作的地方，可能是提供全面連接和高準(zhǔn)確度，同時(shí)防止數(shù)據(jù)丟失的關(guān)鍵。然而，機(jī)器學(xué)習(xí)模型從來不是為部署在邊緣而設(shè)計(jì)的，有關(guān)專家認(rèn)為 TinyML 有望解決這一難題。

數(shù)字孿生的未來發(fā)展

現(xiàn)有運(yùn)營模式顯然正在發(fā)生根本性變化。資產(chǎn)密集型行業(yè)正在進(jìn)行數(shù)字化改造，以顛覆性的方式改變運(yùn)營模式，需要對資產(chǎn)、設(shè)備、設(shè)施和流程進(jìn)行集成的物理和數(shù)字視圖。數(shù)字孿生是這種重組的重要組成部分。

隨著越來越多的認(rèn)知能力不斷投入使用，數(shù)字孿生的未來幾乎是無限的。數(shù)字孿生不斷學(xué)習(xí)新的技能和能力，有理由確信未來的產(chǎn)品將更加完美，流程將更加高效（來源：51CTO）。