如今，業界對數字孿生的關注度與日俱增，在智慧工廠領域，寶馬集團通過英偉達的Omniverse平臺在計算機中創建數字孿生工廠，并在數字孿生工廠中進行改變生產線配置、工人動線、倉儲管理等實驗。

    在智慧城市領域，愛立信公司在計算機中創建一個大型規模的數字孿生城市，來準確模擬5G基站與環境之間的相互作用，以便令5G信號達到最佳傳輸性能和覆蓋率。

    在建筑模擬領域，應用數字孿生可真實模擬建筑的內部樣子。通過數字孿生在最大程度考量自然光特性的前提下模擬建筑內部的光照設計，通過解決平衡照進建筑的光來達到形成恒溫系統并節約能源。

    那到底什么是數字孿生，其本質是什么？以及數字孿生是如何成為現實世界和數字虛擬世界溝通的橋梁，今天小億就來分享一下。

    一、什么是數字孿生？

    1.定義

    數字孿生（Digital Twin），也稱為數字映射、數字鏡像，指的是在信息化平臺內模擬物理實體、流程或者系統，類似實體系統在信息化平臺中的雙胞胎。借助數字孿生，可以在信息化平臺上了解物理實體的狀態，甚至可以對物理實體里面預定義的接口組件進行控制，從而幫助組織監控運營、執行預測性維護和改進流程。

    當然，對于不同現實對象，其數字孿生模型構建的側重點和用途不盡相同。對于企業組織、城市等實體數字孿生，則更強調對廣域數據的聚合融通，著力于通過模擬仿真來優化全局決策、加強協同，因此這一用途也越來越得到企業管理者和政府的重視。

    2.本質

    數字孿生的本質是信息建模，旨在為現實世界中的實體對象在數字虛擬世界中構建完全一致的數字模型，但數字孿生涉及的信息建模已不再是基于傳統的底層信息傳輸格式的建模。

    而是對實體對象外部形態、內部機理和運行關系等方面的整體抽象描述，其難度和應用效果相較于傳統建模呈指數級增長。主要表現在數字孿生可以有多個變身，即根據不同用途和場景構建形態各異的數字模型。

    3.特征

    （1）虛實映射：數字孿生技術要求在數字空間構建物理對象的數字化表示，現實世界中的物理對象和數字空間中的孿生體能夠實現雙向映射、數據連接和狀態交互；

    （2）實時同步：基于實時傳感等多元數據的獲取，孿生體可全面、精準、動態反映物理對象的狀態變化，包括外觀、性能、位置、異常等；

    （3）共生演進：在理想狀態下，數字孿生所實現的映射和同步狀態應覆蓋孿生對象從設計、生產、運營到報廢的全生命周期，孿生體應隨孿生對象生命周期進程而不斷演進更新；

    （4）閉環優化：建立孿生體的最終目的，是通過描述物理實體內在機理，分析規律、洞察趨勢，基于分析與仿真對物理世界形成優化指令或策略，實現對物理實體決策優化功能的閉環。

    二、數字孿生的應用價值

    這些物理操作的虛擬“克隆體”可以幫助組織監控操作、執行預測性維護并為資本購買決策提供洞察力。它們還可以幫助組織模擬那些過于耗時或昂貴，而無法使用實物資產進行測試的場景，創建長期業務計劃，識別新發現并改進流程。總的來說，數字孿生提供了五個關鍵優勢：

    1.加快風險評估和生產時間：數字孿生可以幫助公司在產品問世之前對其進行虛擬測試和驗證。工程師可以使用它們來識別流程故障；

    2.預測性維護：組織可以使用數字孿生主動監控設備和系統，以便在它們發生故障之前安排維護，從而提高生產效率；

    3.實時遠程監控：用戶可以遠程監控和控制系統；

    4.更好的團隊協作：流程自動化和對系統信息的24×7全天候訪問讓技術人員可以將更多時間集中在協作上；

    5.更好的財務決策：通過集成財務數據，組織可以使用數字孿生做出更好、更快地調整決策。

    三、數字孿生的技術體系

    站在技術的角度來看，數字孿生的技術體系是非常龐大的。它的感知、計算和建模過程，涵蓋了感知控制、數據集成、模型構建、模型互操作、業務集成、人機交互等諸多技術領域。

    數字孿生的技術競爭，實際上是云計算、大數據、3D建模、工業互聯網及人工智能等ICT先進技術綜合實力的博弈。

    比如，如果把數字孿生的構建比作“數字人”的創造，則其核心的建模過程相當于骨架的搭建過程；采集數據、開展數據治理和大數據分析，相當于生成人的肌肉組織；

    而數據在物理世界和虛擬空間之間的雙向流動正如人體的血液，所提供的動能使數字機體不斷成長，對物理世界對象的映射更趨精準；模擬仿真使“數字人”具備智慧，從而使通過虛擬空間高效率、低成本優化物理實體成為可能。

    四、數字孿生的應用場景及案例

    構建數字孿生模型不是目的，而是手段，人們寄希望于通過對數字孿生模型的分析，來改善其對應的現象對象的性能和運行效率。

    1. 實物的數字孿生可以提升工業產品在研發、運維等全生命周期內的效益

    實物數字孿生應用的價值是通過虛實融合、虛實映射，持續改進產品的性能，提高產品運行的安全性、可靠性、穩定性，提升產品運行的“健康度”，從而提升產品在市場上的競爭力。同時，通過對產品的結構、材料、制造工藝等各方面的改進，降低產品成本，幫助企業提高盈利能力。

    例如美國通用公司在其工業互聯網平臺Predix上利用實物的數字孿生技術，對飛機發動機進行實時監控、故障檢測和預測性維護；在產品報廢回收再利用的生命周期中，可以根據產品的使用履歷、維修物料清單和更換備品備件的記錄，結合數字孿生模型的仿真結果，判斷零件的健康狀態。

    2. 以企業組織實體為對象的數字孿生能大幅提升企業整體的數字化、智能化經營水平，實現降本增效

    很多企業在信息化建設過程中所使用的ERP、CRM、MES、FMS等條塊化的信息化系統數據上彼此獨立，事實上形成了企業內部大量的“數據孤島”，管理層很難及時了解企業經營的全貌。現有的企業管理軟件設計思路多為模擬企業的實體業務過程及線下操作的動作，如各種單據、表樣、流程等，而不是建立實體業務的數字化模型。因此產生了大量的冗余數據，一致性也較差。

    通過多維建模，企業數字孿生通過建立企業實體業務的多維模型，實現對業務數據的實時分析，并基于業務動因實時預測業務結果，預警風險并及時調整，實現數據采集、建模仿真、分析預警、決策支持的實時一體化。

    3. 數字孿生技術也正逐步在更廣泛的領域得以應用

    數字孿生城市已成為支撐智慧城市建設的技術體系，是虛實交融的城市未來的發展形態，如新加坡政府主導推動的“虛擬新加坡”項目，通過數字孿生實現動態三維城市模型和協作數據平臺。在英國推動的“數字英國”戰略項目中，信息管理框架成為英國國家級數字孿生體的核心技術載體。

    五、數字孿生面臨的挑戰

    數字孿生的技術實現依賴于諸多新技術的發展和高度集成，以及跨學科知識的綜合應用，是一個復雜的、協同的系統工程，涉及的關鍵技術方法包括建模、大數據分析、機器學習、模擬仿真等。

    數字孿生建模技術經歷了從實物的“組件組裝”式建模到復雜實體的多維深度融合建模的發展。由于數字孿生存在海量數據存儲及大數據分析，因此對數據的存儲能力和計算能力提出了較大的挑戰。

    除此以外，數字孿生對處理芯片、數據平臺、設備等都提出了高要求主要表現在以下3個方面：

    （1）數字孿生設計的模型與數據規模龐大，包括建模對象全生命周期中不斷更新的全要素、全業務、全流程的數據與模型，需要計算機硬件具備巨大的處理能力。

    （2）數字孿生對模型仿真與數據分析處理效率有實時要求，即基于實時的模型方針與數據分析結果向物理空間反饋控制策略，這需要計算設備或硬件具有強大的計算能力。

    （3）數字孿生對終端設備提出更互動、更沉浸、更清晰的要求，這對設備的數據傳輸能力、顯示技術等提出了更高要求。尤其是處理芯片和數據平臺等，成為促進數字孿生高效率、高速、高質量運行的推動條件。

    六、億信華辰數字孿生落地典型應用

    1.設備級數字孿生

    構建設備級數字孿生，通過三維建模能夠高度還原設備的外形、材質、紋理細節等精密顯示細節以及復雜內部結構，實現高精度、超精細的可視化渲染；支持設備組態結構、復雜動作的全數據驅動顯示，對設備位置分布、類型、運行環境、運行狀態進行真實復現，不僅可以看到產品外部的變化，更重要的是可以看到產品內部的每一個零部件的工作狀態，對設備運行異常實時告警，輔助管理者直觀掌握設備運行狀態，及時發現設備安全隱患。

    借助億信ABI，利用3D可視化技術將工廠的管理、生產、決策有機地統一起來，加入工廠的內部監督與管控，從而達到降低成本、提高效率、減少環節、查找問題、分析得失等目的，形成互相關聯、整體一致的智慧工廠運營平臺。

2.園區級數字孿生

    基于數據可視化構建園區級數字孿生，能夠在有效整合園區運營各類信息資源的基礎上，基于三維可視化場景，對園區外部環境、建筑、產業分布、樓宇內部結構以及具體設備運行情況進行精準復現。通過整合園區各領域現有數據資源，對園區綜合運營、安防、交通管理、設施管理、能效管理、環境空間管理等業務領域的關鍵指標進行綜合監測分析。

    借助億信ABI搭建的一個集園區生產、園區運營、園區決策多維一體的智慧園區運營管理平臺，借助地理信息技術、三維虛擬化等高科技手段，集地上地下、室內室外一體化的二三維模型為一體，將園區核心運行系統的各項關鍵數據進行綜合展現。對園區人、事、物進行統一管理，可以輔助管理者對園區運行態勢進行全面感知、綜合研判，實現管理精細化、決策科學化和服務高效化。

    3.城市級數字孿生

    通過數據可視化，構建城市級數字孿生，能夠在充分整合城市各領域信息資源的基礎上，將大規模城市各領域管理要素進行精準復現，并對細分業務領域數據指標進行多維度可視分析，實現從全域視角到微觀領域，對城市運行態勢進行全息動態感知。

    基于億信ABI搭建智慧城市系統，整合人口、單位、建筑、車輛、軌跡、污染物、生態等核心數據，覆蓋城市全景可視化、城市治理監測、生態環境監測、經濟發展監測、交通運行監測、公共安全監測、聯動指揮監測等多個業務領域，賦能用戶業務應用，實現“智能感知、智能分派、智能處置、智能考評、智能改進”，有效提升跨部門決策和資源協調效率。

七、小結

    數字孿生是大數據、人工智能、物聯網和深度學習等蓬勃發展背景下，在傳統仿真技術基礎上孕育而生的新技術，作為一項“虛實結合”的數字化轉型技術，正在各個領域加速落地。

    比如，隨著城市數字模型的擴充與發展，數字孿生技術將覆蓋城市的每條電力線、變電站、污水系統、供水和排水系統、城市應急系統、交通控制系統等諸多地方。

    當下，數字孿生技術的瓶頸來自方方面面，暫時還無法大規模普及使用，但它可以為工業制造、未來生活帶來無限的可能，隨著芯片、傳感器、物聯網、軟件算法等技術的發展，數字孿生將有更多想象空間。