數(shù)字孿生也被稱為“過程模擬技術(shù)”，近年來隨著汽車行業(yè)、醫(yī)療保健服務(wù)、制造運營、發(fā)電設(shè)備、城市規(guī)劃等應用，數(shù)字孿生技術(shù)獲得了很大勢頭。數(shù)字孿生是工業(yè)4.0不可分割的一部分，更是互聯(lián)產(chǎn)品和服務(wù)的基礎(chǔ)。

數(shù)字孿生是現(xiàn)實世界的虛擬表示，包括涉及物理和虛擬世界配對的行為、人、地點、過程、產(chǎn)品、關(guān)系、服務(wù)或系統(tǒng)。

數(shù)字孿生鏡像并測量其物理對應物，并在此過程中覆蓋了實物資產(chǎn)的整個生命周期。

創(chuàng)建現(xiàn)實世界實體或系統(tǒng)的動態(tài)軟件模型、數(shù)字副本使我們能夠分析數(shù)據(jù)并監(jiān)控系統(tǒng)，以搶占問題，防止停機，探索新機會，并使用模擬來規(guī)劃未來。

數(shù)字孿生倡議對于釋放夸企業(yè)和大型產(chǎn)品或項目的數(shù)據(jù)價值正變得越來越重要。

數(shù)字孿生技術(shù)是如何工作的？

數(shù)字孿生概念的歷史

對數(shù)字孿生技術(shù)的第一個描述歸功于1991年出版的《鏡面世界》一書，該書探討了計算技術(shù)對未來世界的影響。數(shù)字孿生概念和模型由MichaelGrieves于2002年在密歇根大學首次引入。此外，美國宇航員在“2010年路線圖報告中”正式發(fā)明了數(shù)字孿生一詞。

為什么我們需要數(shù)字孿生？這種需求主要源于要求立即訪問單一可信、經(jīng)過驗證的數(shù)據(jù)來源，以便及時、有效地做出決策。

數(shù)字孿生也包括3D數(shù)字孿生，是視覺上身臨其境和準確的模型，在增加收入增長和規(guī)劃效率、優(yōu)化資產(chǎn)利用率和減少支出方面提供了切實的好處。

因此，除了提高庫存的可靠性和可見性外，運營商還預計減少重復工作以及人工干預。

數(shù)字孿生框架

數(shù)字孿生反映了一個獨特的對象、組織、人或過程。建筑師、城市設(shè)計師、城市規(guī)劃師和其他人可以匯總來自多個數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)，以綜合查看幾個現(xiàn)實世界的實體，如建筑/城市/工廠或發(fā)電廠及其相關(guān)流程。

物理資產(chǎn)或構(gòu)建環(huán)境的虛擬世界復制品依賴于廣泛的物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)收集的數(shù)據(jù)來準確反映資產(chǎn)。

通常，應用數(shù)學和數(shù)據(jù)科學專家研究正在復制的物理對象或系統(tǒng)，并使用該數(shù)據(jù)開發(fā)一個數(shù)學模型，模擬數(shù)字空間中的種種。

構(gòu)建的孿生能夠深入了解物理對象的性能和潛在問題，并且可以根據(jù)數(shù)字孿生應用而變得復雜或簡單。

隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的發(fā)展，將有更少復雜和更小對象的數(shù)字孿生場景，這將為企業(yè)帶來許多好處。

數(shù)字孿生框架通常由三個部分組成：

● 物理對應物的數(shù)字定義--由CAD、PLM等生成。

● 對口部門的運營/體驗數(shù)據(jù)--來自物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、現(xiàn)實世界的遙測等。

● 儀表板或人機交互等信息模型關(guān)聯(lián)和呈現(xiàn)數(shù)據(jù)。

數(shù)字孿生工作原理

與虛擬原型不同，數(shù)字孿生在整個物理資產(chǎn)或系統(tǒng)生命周期中不斷更新有關(guān)性能、維護和健康狀況的數(shù)據(jù)。

在數(shù)字孿生技術(shù)的背景下，數(shù)字線程在數(shù)字世界和物理世界之間創(chuàng)建一個閉環(huán)，并促進雙向數(shù)據(jù)流，從而最大限度減少在獲取和檢查數(shù)據(jù)上浪費的時間。

數(shù)字孿生如何解決業(yè)務(wù)挑戰(zhàn)：

數(shù)據(jù)捕獲和集成--數(shù)字孿生正在改拜年企業(yè)捕獲和建模數(shù)據(jù)、分析信息、集成網(wǎng)絡(luò)和簡化工作流程的方式。

實時信息和可視化--通過儀表板和報告、高級可視化和實時物聯(lián)網(wǎng)集成，可以輕松發(fā)現(xiàn)新的見解，做出更知情透明的決策，并釋放數(shù)據(jù)的潛力。

共享和協(xié)作--可以消除數(shù)據(jù)孤島，保持動態(tài)視覺通信，增加內(nèi)部和外部參與度，并提供普遍的數(shù)據(jù)訪問，同時改善社區(qū)和組織之間的信息共享。

分析和預測--自動化方法，例如人工智能、機器學習等，以及模擬和場景建模在未來預測的高級分析和自動化方面非常有益。

全球運營和供應鏈越來越多地采用數(shù)字孿生，以了解現(xiàn)在并預測未來。誰定義了新的數(shù)字孿生標準要求，并推動了數(shù)字孿生使用的最佳實踐？

此外，作為一種拓撲和位置敏感的分布式計算形式，邊緣計算可以幫助更多企業(yè)訪問數(shù)字孿生進行操作，確保數(shù)據(jù)完整性和實時決策能力。

通過使計算能力和數(shù)據(jù)儲存更接近建模的物理實體，邊緣計算有助于避免通常與大型云計算相關(guān)的額外成本和時間延遲。

數(shù)字孿生的類型

數(shù)字孿生以不同的復雜性和形式存在。四種主要類型的數(shù)字孿生是：

資產(chǎn)孿生：資產(chǎn)孿生實際上代表了兩個或多個組件，作為更全面系統(tǒng)的一部分如何交互和協(xié)同工作?？梢苑治鲑Y產(chǎn)孿生的績效數(shù)據(jù)，以做出明智的決定。

組件孿生：部分孿生模擬功能組件，并綁定到更大系統(tǒng)的一部分。組件孿生也被稱為部分孿生，代表整個系統(tǒng)的單個部分。通常，這是資產(chǎn)運營的重要組成部分，例如風力渦輪機的電機。

流程孿生：流程孿生提供了關(guān)于數(shù)字環(huán)境資產(chǎn)、組件和單元如何協(xié)同工作的見解。例如，流程數(shù)字孿生可以以數(shù)字方式復制整個制造設(shè)施的運營和生產(chǎn)流程，包括其所有組件。

系統(tǒng)孿生：系統(tǒng)孿生反映了歷史和當前狀態(tài)，并預測整個系統(tǒng)或系統(tǒng)特定部分的未來狀態(tài)。例如，系統(tǒng)孿生模擬了整個生產(chǎn)線。

數(shù)字孿生的優(yōu)勢

提高運營效率：數(shù)字孿生提供相關(guān)見解，以收集不同的數(shù)據(jù)集，并捕獲有關(guān)資產(chǎn)和生產(chǎn)性能的實時信息，從而提高運營效率。

加強可持續(xù)性發(fā)展：應用全廠數(shù)字孿生模型使企業(yè)能夠使用數(shù)據(jù)、可見性和可視化來確定潛在的效率領(lǐng)域，并發(fā)現(xiàn)跨多個維度的改進機會。

例如，企業(yè)可以減少制造過程中的廢料，或?qū)a(chǎn)品材料換成更可持續(xù)的選擇。

減少設(shè)備停機時間：實時訪問數(shù)據(jù)可確保設(shè)備啟動并運行，并及時進行檢查、監(jiān)控操作條件和功耗水平、自動警報等。

數(shù)字孿生的預防和預測維護能力增加了設(shè)備的正常運行時間，防止了收入的損失，并改善了公共安全。

提高供應鏈的敏捷性和彈性：物理端到端供應鏈的數(shù)字孿生可以更好地了解交貨時間和其他關(guān)鍵因素。

因此企業(yè)可以在內(nèi)部和外部進行實時調(diào)整，并在供應鏈中斷時變得敏捷和有彈性。

縮短上市時間：來自數(shù)字孿生的持續(xù)見解促進更快的迭代和創(chuàng)新。

此外，在物理原型制作之前使用數(shù)字模型和仿真工具來驗證產(chǎn)品性能，可以避免后期重新設(shè)計，縮短上市時間，并節(jié)省大量時間。

提高客戶滿意度：了解客戶需求并進行未來產(chǎn)品改進時實現(xiàn)客戶滿意度的必要條件。

數(shù)字孿生使企業(yè)能夠加快維修運營并提供更順暢的客戶服務(wù)，從而在日益以客戶為中心的市場中成為有競爭力的差異化因素。

數(shù)字孿生的挑戰(zhàn)

創(chuàng)建虛擬孿生有挑戰(zhàn)或局限性，在實踐中，數(shù)字孿生不是一個簡單的安裝和部署解決方案，因此，開發(fā)一個可靠且可讀的數(shù)字孿生需要數(shù)據(jù)標準化。

以下是數(shù)字孿生的主要挑戰(zhàn)：

物理對象的不準確性：虛擬克隆確實存在風險。不準確的數(shù)字孿生副本確實會帶來某些危險。如果無法獲得作古有關(guān)物理對應方的信息，歪曲要復制的對象或系統(tǒng)可能會導致困難。

根據(jù)物理項目的復雜性，如果沒有開放、實時和高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，確保模擬的準確性可能并不容易。

小企業(yè)的可負擔性：創(chuàng)建數(shù)字孿生是一個昂貴的、資源驅(qū)動的過程。此外，每個物體都不夠復雜，不足以使用數(shù)字孿生。

缺乏數(shù)據(jù)標準：必須以可用的格式提供數(shù)據(jù)，以便跨區(qū)域和擴展數(shù)據(jù)。維護數(shù)據(jù)標準至關(guān)重要，因為數(shù)據(jù)互操作性和數(shù)據(jù)集成在數(shù)字孿生中至關(guān)重要。

各級合作：數(shù)字城市孿生尤其需要地方政府和流動、城市規(guī)劃、環(huán)境和其他部門成員的認同和支持，使其在當?shù)毓ぷ鳎l(fā)展成為有用的公共行政工具。

數(shù)據(jù)孿生的應用

與3D建模不同，數(shù)字孿生提供實時數(shù)據(jù)以及對象視圖，并探索隨著時間的推移影響物體的各種環(huán)境條件。事實證明，數(shù)字模型在各種應用中都非常成功，比如：

建筑工程行業(yè)

數(shù)字孿生可以通過使用數(shù)據(jù)分析來虛擬測試和頒布政策以及設(shè)計現(xiàn)實世界的建筑方法來幫助簡化城市規(guī)劃。事實證明，數(shù)字孿生可以通過提供能源消耗和其他相關(guān)數(shù)據(jù)，對提高建筑物等自給自足和減少城市碳足跡方面也很有用。

汽車工業(yè)

數(shù)字孿生有助于人工智能算法檢測可能發(fā)生的故障，并最大限度地減少維護和維修需求，從而降低企業(yè)在保修期內(nèi)維修汽車的成本，同時改善用戶體驗。

環(huán)境保護

在氣候變化和全球變暖的背景下，數(shù)字孿生有助于繪制未來環(huán)境及其對城市的影響。

制造業(yè)

由于數(shù)字孿生技術(shù)允許在數(shù)字孿生軟件中建模和探索流程變化，企業(yè)可以利用該技術(shù)進行工業(yè)和工廠數(shù)字化、生產(chǎn)優(yōu)化，而無需在實驗中冒險使用關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。

城市規(guī)劃

數(shù)字孿生技術(shù)有助于建立智能、可持續(xù)和以人為本的城市。然而，要使大規(guī)模采用數(shù)字孿生成為可能，需要克服許多挑戰(zhàn)。

總結(jié)

數(shù)據(jù)孿生技術(shù)正在不斷發(fā)展，更是一項值得投資的可實現(xiàn)的目標。當我們通過豐富的數(shù)據(jù)獲得更好的見解時，我們會在不確定的時代找到確定性，并有機會提高決策準備狀態(tài)，并快速確定實現(xiàn)可持續(xù)績效改進所需策略。

預計到2030年，全球數(shù)字孿生行業(yè)將達到超過1250億美元，許多行業(yè)對數(shù)字孿生的需求將繼續(xù)增長。