數(shù)字經(jīng)濟是繼農(nóng)業(yè)經(jīng)濟、工業(yè)經(jīng)濟之后，隨著信息技術革命發(fā)展而產(chǎn)生的一種新的經(jīng)濟形態(tài)，代表著新經(jīng)濟的生命力，并已成為經(jīng)濟增長的主要動力源泉和轉(zhuǎn)型升級的重要驅(qū)動力，也是全球新一輪產(chǎn)業(yè)競爭的制高點。
大力發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟已經(jīng)成為國家實施大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略、助推經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的重要抓手。數(shù)字經(jīng)濟在穩(wěn)增長、調(diào)結(jié)構(gòu)、促轉(zhuǎn)型中已發(fā)揮引領作用。目前，我國數(shù)字經(jīng)濟總體框架已基本構(gòu)建，具體政策體系將加速成型。其中，“互聯(lián)網(wǎng)+”高質(zhì)量發(fā)展的政策體系正醞釀出臺。這一政策體系包括數(shù)字經(jīng)濟整體發(fā)展促進政策、規(guī)制或治理政策、相關環(huán)境政策，以及大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等數(shù)字經(jīng)濟重要行業(yè)發(fā)展相關政策。圍繞“互聯(lián)網(wǎng)+”及數(shù)字經(jīng)濟的系列重大工程或接續(xù)展開。
隨著數(shù)字經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)如火如荼地發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術越來越深入人們的日常生活。人們投入到社交網(wǎng)絡、網(wǎng)絡游戲、電子商務、數(shù)字辦公中的時間不斷增多，個人也越來越多地以數(shù)字身份出現(xiàn)在社會生活中?？梢韵胂?，除去睡眠等占用的無效時間，如果人類每天在數(shù)字世界活動的時間超過了有效時間的50%，那么人類的數(shù)字化身份會比物理世界的身份更真實有效。
目前，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術越來越深入人們的日常生活。人們投入到社交網(wǎng)絡、網(wǎng)絡游戲、電子商務、數(shù)字辦公中的時間不斷增多，個人也越來越多地以數(shù)字身份出現(xiàn)在社會生活中。
可以想象，除去睡眠等占用的無效時間，如果人類每天在數(shù)字世界活動的時間超過有效時間的50%，那么人類的數(shù)字化身份會比物理世界的身份更真實有效。在過去的幾年里，物聯(lián)網(wǎng)領域一直流行著一個新的術語：數(shù)字孿生（Digital Twin）。
我們再來想象一下未來：當宇航員在遙遠的外太空執(zhí)行一項緊急的艙外修復任務，沒有時間和空間進行預演，也沒有經(jīng)驗可借鑒。環(huán)境極度危險，機會只有一次，怎么辦？
這時，我們的宇航員不慌不忙，將操作涉及的各項參數(shù)、外部環(huán)境、時間、溫度等整合在一起，模擬出一個和現(xiàn)實一模一樣的虛擬環(huán)境，并對其進行反復實驗，直到找出*的操作方式和流程。然后將這套*方案輸入到要執(zhí)行任務的太空機器人程序中，用最*合理的操作在規(guī)定時間內(nèi)完成艙外修復任務，將危險和失誤降到*。
其實，這些已不再遙遠，科幻片中的“數(shù)字孿生”正快速地成為現(xiàn)實。聽起來神一般的“數(shù)字孿生”到底是什么？它可以實現(xiàn)什么樣的功能？又可以為企業(yè)帶來什么樣的效益？如何創(chuàng)建數(shù)字孿生？目前它在哪些實際應用領域發(fā)揮著什么樣的作用呢？
通俗來講，數(shù)字孿生是指針對物理世界中的物體，通過數(shù)字化的手段構(gòu)建一個在數(shù)字世界中一模一樣的實體，借此來實現(xiàn)對物理實體的了解、分析和優(yōu)化。從更加專業(yè)的角度來說，數(shù)字孿生集成了人工智能（AI）和機器學習（ML）等技術，將數(shù)據(jù)、算法和決策分析結(jié)合在一起，建立模擬，即物理對象的虛擬映射，在問題發(fā)生之前先發(fā)現(xiàn)問題，監(jiān)控物理對象在虛擬模型中的變化，診斷基于人工智能的多維數(shù)據(jù)復雜處理與異常分析，并預測潛在風險，合理有效地規(guī)劃或?qū)ο嚓P設備進行維護。
數(shù)字孿生是形成物理世界中某一生產(chǎn)流程的模型及其在數(shù)字世界中的數(shù)字化鏡像的過程和方法。
數(shù)字孿生有五大驅(qū)動要素物理世界的傳感器、數(shù)據(jù)、集成、分析和促動器，以及持續(xù)更新的數(shù)字孿生應用程序。
傳感器 生產(chǎn)流程中配置的傳感器可以發(fā)出信號，數(shù)字孿生可通過信號獲取與實際流程相關的運營和環(huán)境數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù) 傳感器提供的實際運營和環(huán)境數(shù)據(jù)將在聚合后與企業(yè)數(shù)據(jù)合并。企業(yè)數(shù)據(jù)包括物料清單、企業(yè)系統(tǒng)和設計規(guī)范等，其他類型的數(shù)據(jù)包括工程圖紙、外部數(shù)據(jù)源及客戶投訴記錄等。
集成 傳感器通過集成技術（包括邊緣、通信接口和安全）達成物理世界與數(shù)字世界之間的數(shù)據(jù)傳輸。
分析 數(shù)字孿生利用分析技術開展算法模擬和可視化程序，進而分析數(shù)據(jù)、提供洞見，建立物理實體和流程的準實時數(shù)字化模型。數(shù)字孿生能夠識別不同層面偏離理想狀態(tài)的異常情況。
5．促動器 若確定應當采取行動，則數(shù)字孿生將在人工干預的情況下通過促動器展開實際行動，推進實際流程的開展。當然，在實際操作中，流程（或物理實體）及其數(shù)字虛擬鏡像明顯比簡單的模型或結(jié)構(gòu)要復雜得多。
“工業(yè)4.0”術語編寫組對數(shù)字孿生的定義是：利用先進建模和仿真工具構(gòu)建的，覆蓋產(chǎn)品全生命周期與價值鏈，從基礎材料、設計、工藝、制造及使用維護全部環(huán)節(jié)，集成并驅(qū)動以統(tǒng)一的模型為核心的產(chǎn)品設計、制造和保障的數(shù)字化數(shù)據(jù)流。通過分析這些概念可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)字紐帶為產(chǎn)品數(shù)字孿生體提供訪問、整合和轉(zhuǎn)換能力，其目標是貫通產(chǎn)品全生命周期和價值鏈，實現(xiàn)全面追溯、雙向共享/交互信息、價值鏈協(xié)同。
從根本上講，數(shù)字孿生是以數(shù)字化的形式對某一物理實體過去和目前的行為或流程進行動態(tài)呈現(xiàn)，有助于提升企業(yè)績效。
伴隨著數(shù)字孿生的發(fā)展，美國空軍研究實驗室和美國國家航空航天局同時提出了數(shù)字紐帶（Digital Thread，也譯為數(shù)字主線、數(shù)字線程、數(shù)字線、數(shù)字鏈等）的概念。數(shù)字紐帶是一種可擴展、可配置的企業(yè)級分析框架，在整個系統(tǒng)的生命周期中，通過提供訪問、整合及將不同的、分散的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可操作信息的能力來通知決策制定者。
數(shù)字紐帶可無縫加速企業(yè)數(shù)據(jù)信息知識系統(tǒng)中的權威/發(fā)布數(shù)據(jù)、信息和知識之間的可控制的相互作用，并允許在能力規(guī)劃和分析、初步設計、詳細設計、制造、測試及維護采集階段動態(tài)實時評估產(chǎn)品在目前和未來提供決策的能力。
數(shù)字紐帶也是一個允許可連接數(shù)據(jù)流的通信框架，并提供一個包含系統(tǒng)全生命周期各階段孤立功能的集成視圖。數(shù)字紐帶為在正確的時間將正確的信息傳遞到正確的地方提供了條件，使系統(tǒng)全生命周期各環(huán)節(jié)的模型能夠?qū)崟r進行關鍵數(shù)據(jù)的雙向同步和溝通。
通過分析和對比數(shù)字孿生和數(shù)字紐帶的定義可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)字孿生體是對象、模型和數(shù)據(jù)，而數(shù)字紐帶是方法、通道、鏈接和接口，數(shù)字孿生體的相關信息是通過數(shù)字紐帶進行交換、處理的。以產(chǎn)品設計和制造過程為例，產(chǎn)品數(shù)字孿生體與數(shù)字紐帶的關系。
簡單地說，數(shù)字紐帶貫穿了產(chǎn)品全生命周期，尤其是產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、運維的無縫集成；而產(chǎn)品數(shù)字孿生體更像是智能產(chǎn)品的映射，它強調(diào)的是從產(chǎn)品運維到產(chǎn)品設計的回饋。產(chǎn)品數(shù)字孿生體是物理產(chǎn)品的數(shù)字化影子，通過與外界傳感器的集成，反映對象從微觀到宏觀的所有特性，展示產(chǎn)品的生命周期的演進過程。
當然，不止產(chǎn)品，生產(chǎn)產(chǎn)品的系統(tǒng)（生產(chǎn)設備、生產(chǎn)線）和使用維護中的系統(tǒng)也要按需建立產(chǎn)品數(shù)字孿生體。
“孿生體/雙胞胎”概念在制造領域的使用，最早可追溯到美國國家航空航天局（NASA）的阿波羅項目。在該項目中，NASA需要制造兩個完全一樣的空間飛行器，留在地球上的飛行器被稱為“孿生體”，用來反映（或做鏡像）正在執(zhí)行任務的空間飛行器的狀態(tài)。
在飛行準備期間，被稱為“孿生體”的空間飛行器被廣泛應用于訓練；在任務執(zhí)行期間，利用該“孿生體”在地球上的*仿太空模型中進行仿真試驗，并盡可能*地反映和預測正在執(zhí)行任務的空間飛行器的狀態(tài)，從而輔助太空軌道上的航天員在緊急情況下做出最正確的決策。
從這個角度可以看出，“孿生體”實際上是通過仿真實時反映對象的真實運行情況的樣機或模型。它具有兩個顯著特點：
“孿生體”與其所要反映的對象在外表（指產(chǎn)品的幾何形狀和尺寸）、內(nèi)容（指產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成及其宏觀、微觀物理特性）和性質(zhì)（指產(chǎn)品的功能和性能）上基本完全一樣。
（2）允許通過仿真等方式來鏡像/反映對象的真實運行情況/狀態(tài)。需要指出的是，此時的“孿生體”還是實物。
數(shù)字孿生能為企業(yè)做什么？
技術的發(fā)展歷來逃不開一個重要命題，那就是能否為企業(yè)創(chuàng)造實際價值。過去，創(chuàng)建數(shù)字孿生體的成本高昂，且收效甚微。隨著存儲與計算成本日益走低，數(shù)字孿生的應用案例與潛在收益大幅上漲，并轉(zhuǎn)而提升商業(yè)價值。
在探析數(shù)字孿生的商業(yè)價值時，企業(yè)須重點考慮戰(zhàn)略績效與市場動態(tài)的相關問題，包括持續(xù)提升產(chǎn)品績效、加快設計周期、發(fā)掘新的潛在收入來源，以及優(yōu)化保修成本管理?？筛鶕?jù)這些戰(zhàn)略問題，開發(fā)相應的應用程序，借助數(shù)字孿生創(chuàng)造廣泛的商業(yè)價值。如表1-1所示，列舉了數(shù)字孿生各種類型的商業(yè)價值。
除了上述商業(yè)價值領域，數(shù)字孿生還可協(xié)助制造企業(yè)構(gòu)建關鍵績效指標。綜合而言，數(shù)字孿生可用于諸多應用程序，以提升商業(yè)價值，并從根本上推動企業(yè)開展業(yè)務轉(zhuǎn)型。
其所產(chǎn)生的價值可運用切實結(jié)果予以檢測，而這些結(jié)果則可追溯至企業(yè)關鍵指標。如今，數(shù)字孿生越來越被各大廠商重視，并作為一種服務企業(yè)的解決方案和手段，可見其潛力巨大。
（1）模擬、監(jiān)控、診斷、預測和控制產(chǎn)品在現(xiàn)實環(huán)境中的形成過程和行為。
?。?）從根本上推進產(chǎn)品全生命周期高效協(xié)同并驅(qū)動持續(xù)創(chuàng)新。
ANSYS公司作為仿真領域的領導者，通過與通用電氣密切合作，將其仿真軟件與通用電氣的工業(yè)數(shù)據(jù)及分析云端平臺Predix進行集成，仿真能力與數(shù)據(jù)分析功能的結(jié)合能夠幫助企業(yè)獲得戰(zhàn)略性的洞察力信息。
通用電氣為每個引擎、每個渦輪、每臺核磁共振制造一個數(shù)字孿生體，通過擬真的數(shù)字化模型在虛擬空間進行調(diào)試、試驗，即可知道如何讓機器效率達到最高，然后將最優(yōu)化的方案應用于實體模型上。
?。?）數(shù)字化產(chǎn)品全生命周期檔案為全過程追溯和持續(xù)改進研發(fā)奠定了數(shù)據(jù)基礎。
?。?）創(chuàng)造價值趨向無限。利用數(shù)字孿生，任何制造商都可以在數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬環(huán)境中進行創(chuàng)建、生成、測試和驗證，這種能力將成為其在未來若干年內(nèi)的核心競爭力。
自數(shù)字孿生的概念被提出以來，其技術在不斷地快速演化，無論是對產(chǎn)品的設計、制造還是服務，都產(chǎn)生了巨大的推動作用。今天的數(shù)字化技術正在不斷地改變每一個企業(yè)。
未來所有的企業(yè)都將數(shù)字化，這不只是要求企業(yè)開發(fā)出具備數(shù)字化特征的產(chǎn)品，更是指通過數(shù)字化手段改變整個產(chǎn)品全生命周期流程，并通過數(shù)字化的手段連接企業(yè)的內(nèi)部和外部環(huán)境。產(chǎn)品全生命周期的縮短、產(chǎn)品定制化程度的加強及企業(yè)必須同上下游建立起協(xié)同的生態(tài)環(huán)境，都迫使企業(yè)不得不采取數(shù)字化的手段來加速產(chǎn)品的開發(fā)速度，提高生產(chǎn)、服務的有效性，以及提高企業(yè)內(nèi)外部環(huán)境的開放性。
數(shù)字孿生同沿用了幾十年的、基于經(jīng)驗的傳統(tǒng)設計和制造理念相去甚遠，使設計人員可以不用通過開發(fā)實際的物理原型來驗證設計理念，不用通過復雜的物理實驗來驗證產(chǎn)品的可靠性，不需要進行小批量試制就可以直接預測生產(chǎn)瓶頸，甚至不需要去現(xiàn)場就可以洞悉銷售給客戶的產(chǎn)品運行情況。
因此，這種數(shù)字化轉(zhuǎn)變對傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)來說可能非常難以改變及適應，但這種方式確實是先進的、契合科技發(fā)展方向的，無疑將貫穿產(chǎn)品的生命周期，不僅可以加速產(chǎn)品的開發(fā)過程，提高開發(fā)和生產(chǎn)的有效性和經(jīng)濟性，更能有效地了解產(chǎn)品的使用情況并幫助客戶避免損失，還能精準地將客戶的真實使用情況反饋到設計端，實現(xiàn)產(chǎn)品的有效改進。而所有的這一切，都需要企業(yè)具備完整的數(shù)字化能力，而其中的基礎就是數(shù)字孿生。
更便捷，更適合創(chuàng)新。數(shù)字孿生通過設計工具、仿真工具、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等各種數(shù)字化的手段，將物理設備的各種屬性映射到虛擬空間中，形成可拆解、可復制、可轉(zhuǎn)移、可修改、可刪除、可重復操作的數(shù)字鏡像，這極大加速了操作人員對物理實體的了解，可以讓很多原來由于物理條件限制、必須依賴于真實的物理實體而無法完成的操作方式（如模擬仿真、批量復制、虛擬裝配等）成為觸手可及的工具，更能激發(fā)人們?nèi)ヌ剿餍碌耐緩絹韮?yōu)化設計、制造和服務。
更全面的測量。只要能夠測量，就能夠改善，這是工業(yè)領域不變的真理。無論是設計、制造還是服務，都需要*地測量物理實體的各種屬性、參數(shù)和運行狀態(tài)，以實現(xiàn)精準的分析和優(yōu)化。但是傳統(tǒng)的測量方法必須依賴價格昂貴的物理測量工具，如傳感器、采集系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)等，才能夠得到有效的測量結(jié)果，而這無疑會限制測量覆蓋的范圍，對于很多無法直接采集的測量值的指標往往愛莫能助。而數(shù)字孿生則可以借助物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術，通過采集有限的物理傳感器指標的直接數(shù)據(jù)，并借助大樣本庫，通過機器學習推測出一些原本無法直接測量的指標。例如，可以利用潤滑油溫度、繞組溫度、轉(zhuǎn)子扭矩等一系列指標的歷史數(shù)據(jù)，通過機器學習來構(gòu)建不同的故障特征模型，間接推測出發(fā)電機系統(tǒng)的健康指標。
更全面的分析和預測能力?，F(xiàn)有的產(chǎn)品全生命周期管理很少能夠?qū)崿F(xiàn)精準預測，因此往往無法對隱藏在表象下的問題進行預判。而數(shù)字孿生可以結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)的處理和人工智能的建模分析，實現(xiàn)對當前狀態(tài)的評估、對過去發(fā)生問題的診斷，并給予分析的結(jié)果，模擬各種可能性，以及實現(xiàn)對未來趨勢的預測，進而實現(xiàn)更全面的決策支持。
經(jīng)驗的數(shù)字化。在傳統(tǒng)的工業(yè)設計、制造和服務領域，經(jīng)驗往往是一種捉摸不透的東西，很難將其作為精準判決的數(shù)字化依據(jù)。相比之下，數(shù)字孿生技高一籌，它的一大關鍵性進步就是可以通過數(shù)字化的手段，將原先無法保存的專家經(jīng)驗進行數(shù)字化，并可以保存、復制、修改和轉(zhuǎn)移。
例如，針對大型設備運行過程中出現(xiàn)的各種故障特征，可以將傳感器的歷史數(shù)據(jù)通過機器學習訓練出針對不同故障現(xiàn)象的數(shù)字化特征模型，并結(jié)合專家處理的記錄，使其形成未來對設備故障狀態(tài)進行精準判決的依據(jù)，并可針對不同的新形態(tài)的故障進行特征庫的豐富和更新，最終形成自治化的智能診斷和判決。
在數(shù)字技術賦能傳統(tǒng)行業(yè)的過程中，更多的是本身就是輕運營模式的產(chǎn)業(yè)得以優(yōu)先完成數(shù)字化，使得重模式實體產(chǎn)業(yè)并沒能實現(xiàn)有效轉(zhuǎn)型。線下業(yè)務的線上管理復雜低效，線下信息實時異動不能及時反饋給線上，線上與線下信息對接不上、業(yè)務融合不完全。這些問題都在阻礙著數(shù)字經(jīng)濟與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)相互之間的深度滲透，而如何讓兩者結(jié)合實現(xiàn)價值*化，就成了現(xiàn)階段幫助傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)全面轉(zhuǎn)型的首要任務。
在未來，必須深度打磨數(shù)字化技術，讓線下產(chǎn)品、業(yè)務充分實現(xiàn)數(shù)字化，以便線上管理調(diào)配。只有實體產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化進程足夠深入，在線下才有可能實現(xiàn)透明化管理。線上信息的透明化一方面能讓消費者通過數(shù)據(jù)直觀了解產(chǎn)品信息，另一方面也能讓線上平臺根據(jù)消費者的數(shù)據(jù)反饋有效調(diào)配線下業(yè)務。未來的數(shù)字化企業(yè)要利用互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)操作流程可視化、產(chǎn)品可追蹤化管理。
2023年5月5日星期五于武漢大智無界·空中小鎮(zhèn)
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