來源： 腦極體
今天我們介紹一個在產業界如火如荼，但大衆還非常陌生的概念：數字孿生（Digital Twin）。
在解釋這一晦澀難懂的概念前，我首先想到了一個人，前蘇聯著名的昆蟲學家、數學家和哲學家——柳比歇夫。在26歲那一年，他獨創了一種“時間統計法”，可以通過記錄每天做的每件事情所花銷時間，經過統計分析，進行每月小結和年終總結，以此來改進工作方法，計劃未來事務，從而提高對時間的利用效率。
這一“時間統計法”，他沿用了56年，直到逝世。那麼，他的學術成果呢？確實非常驚人，一生髮布了70多部專著。但他並不是一個整日鑽進書齋裏的老學究，從那本《奇特的一生》中，可以看到他的業餘時間非常充裕，甚至每天只需工作幾個小時，他還能完成大量的社交、旅行還有休閒。
講到這裏，做自媒體的我們可能都會覺得非常慚愧。言歸正傳，這裏講到柳比歇夫和他的“時間統計法”，是因爲這一方法跟今天要講的“數字孿生”非常相似。他幾乎忠實的記錄了每天所有事物的時間，精確到多少時長。這就彷彿在日記本上完全復刻了一個柳比歇夫的數字分身。我們通過觀看他的這本時間筆記，就能知道他這一生做了哪些事情。
如果再將這些記錄輸入電腦，做出數據表格，打上各種標籤，我們就可以對其完成的各類事情進行準確的分類統計和分析。如此，我們就能建立一個更多維度的柳比歇夫。想一想這一辦法用在我們身上，是不是也可能產生“奇蹟”。
不過，“數字孿生”的野心更大，其想實現的是對整個物理世界的完整的數字映射。
雙11這天，中國國際高新技術成果交易會發布了工信部的《數字孿生應用白皮書2020版》。藉着這一白皮書的發佈時機，我們一起來聊聊數字孿生這一概念和其可能所帶來的應用場景和產生的產業變革影響。
數字孿生：爲物理世界
“複製”一個虛擬數字分身
“數字孿生”（Digital Twin）這一概念正式提出是在NASA的2010年的一份技術報告當中，當時給出的一個狹窄定義是“集成了多物理量、多尺度、多概率的系統或飛行器仿真過程”，接下來，“數字孿生”概念和相關技術主要應用在航空航天領域的飛行器健康管理，包括像機身設計與維修，飛行器能力評估，飛行器故障預測等應用當中。
不過， “孿生”的概念在20世紀60年代就已經出現，當時美國NASA在“阿波羅計劃”中，構建了兩個相同的航天飛行器，其中一個發射到太空執行任務，另一個留在地球上用於反映太空中航天器在任務期間的工作狀態，從而輔助工程師分析處理太空中出現的緊急事件。此時，兩個航天器都是真實存在的物理實體，也就是還未形成“數字孿生”的概念。
到2003年左右，美國密歇根大學教授Grieves首次在“產品的全生命週期管理”課程上提出了“數字孿生”的設想，只是當時稱之爲“Conceptual Ideal for Product Lifecycle Management”，PLM的主要構想就是在虛擬空間構建一套數字模型，可以與物理實體進行交互映射，完全描述物理實體全生命週期的運行軌跡。
現在，隨着數字化技術在消費互聯網和產業互聯網的深入應用，“數字孿生”概念和技術得到了更加廣泛地推廣和應用。在2019年，“數字孿生”這一術語已經被Gartner列爲2019年十大戰略性技術趨勢之一。
如何來理解“數字孿生”概念呢？從國際標準化組織的定義來看，數字孿生是具有數據連接的特定物理實體或過程的數字化表達，該數據連接可以保證物理狀態和虛擬狀態之間的同速率收斂，並提供物理實體或流程過程的整個生命週期的集成視圖，有助於優化整體性能。
通俗來講，就是針對物理世界的實體，通過數字化手段構建一個數字世界中的“完整分身”，能夠和物理實體保持實時的交互聯接，藉助歷史數據、實時數據以及算法模型等，通過模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命週期過程，實現對物理實體的瞭解、分析和優化。
從企業的角度來看，就是對企業資產和流程進行數字化表示，從而瞭解、預測和優化業務流程以改善業務成果。
從以上定義可以看到，數字孿生所具有的特徵，包括：
1、互操作性，即數字孿生中的物理實體和數字空間的虛擬實體能夠雙向映射、動態交互和實時連接。
2、可擴展性，即數字孿生技術具備集成、添加和替換的能力，能夠針對多尺度、多物理、多層級的數字模型內容進行擴展。
3、實時性，即數字化虛擬實體可對物理實體進行隨時間軸變化而進行實時狀態的數字表徵。
4、保真性，即數字化虛擬實體與物理實體保持在樣態、狀態、相態和時態上的高度仿真。
5、閉環性，即數字化虛擬實體可以描述物理實體的可視化模型和內在機理，以便對物理實體狀態數據進行監視、分析、推理、優化工藝參數和運行參數，實現決策功能，形成閉環性。
以上是對“數字孿生”概念和技術特徵的理論介紹，我們可以用一個切實的例子就可以理解這項技術。
假如宇航員要在外太空執行一項非常緊急又事關空間站安危的艙外修復任務，如果環境特別危險，也沒有機會進行預演和試錯，那麼我們該怎麼辦？
如果我們有一套整個空間站的數字孿生系統，宇航員就可以模擬出一個和現實狀況一樣的虛擬環境，進行反覆試驗，直到找出最好的操作方式和流程，甚至最終可以直接將這套方案輸入太空機器人的程序中，交給機器人用精確無誤的方式完成艙外修復任務，避免人爲試錯的巨大風險。如此，我們就可以理解數字孿生的實現特點和重要價值了。
那麼，數字孿生可以應用在哪些領域呢？
“萬物皆數據”：
無處不及的數字孿生應用場景
當前，在國內外複雜的經濟政治格局下，數字經濟在推動經濟發展，提高勞動生產率，培育新市場和產業新增長點，實現包容性增長和可持續增長等諸多方面都在發揮着重要作用。根據最新數據，2019年數字經濟佔據我國GDP的比重已經達到36.2%，數字經濟增加值規模達到35.8萬億元。
數字孿生作爲數字經濟當中一項關鍵技術和高效能工具，可以有效發揮其在模型設計、數據採集、分析預測、模擬仿真等方面的作用，助力推進產業數字化，促進數字經濟與實體經濟融合發展。
現在，得益於物聯網、大數據、雲計算、人工智能等新一代信息技術的發展，數字孿生在各領域得到越來越廣泛的應用實施。
（圖源：《數字孿生應用白皮書2020版》，下同）
通過這一白皮書的介紹，我們可以重點從工業製造、智慧城市以及智慧醫療這三個重要場景來了解下數字孿生的應用。
在工業製造領域，存在的一大問題就是因信息多源、異構、異地、分散形成的信息孤島，難以發揮信息數字化的價值。數字孿生爲工業生產建立起了可以投射物理設備的虛擬空間，能夠仿真複雜的製造工藝，實現產品設計、製造和智能服務等閉環優化。
比如在工業產品世界中，虛擬的數字孿生空間可以預先完成產品的部件設計修改、尺寸裝配等模擬工作，不需要實際生產和驗證，從而大幅降低產品的驗證工作和工期成本。在製造生產中，爲避免意外事故，可以在虛擬數字空間中進行設備診斷、過程模擬等仿真預測，從而防止現場故障、生產異常產生的嚴重後果。
另外，一套完整的數字孿生的製造系統，相比較傳統的製造系統，具有生產要素多樣、動態生產路徑配置、人機物自主通信、自組織和可數據支撐決策等特點，可以統籌協調系統內外部變化，實現資源能源優化配置。
在智慧城市建設中，面臨着新型技術聚合式創新的技術瓶頸，推動智慧城市的有機融合的統一ICT架構模塊尚未實現，城市運行和治理的水平有量的提升而沒有質的飛躍；同時，推動智慧城市建設的市場和行政的邊界尚不清晰，資源共享和業務系統機制沒有建立起來。
數字孿生城市的提出，正是要在將城市的人、物、事件等所有要素數字化，在網絡空間再造一個相對於的“虛擬城市”，形成物理實體世界和信息維度的數字虛擬世界的共生共存、虛實結合的一種形態。藉助數字孿生城市，可以提升城市的整體規劃質量，提前謀劃、科學驗證，避免不切實際的規劃，也提升規劃的效率。基於全城市要素的數據，可以推動以人爲核心的城市設計、交通規劃等，具體到設計層面，可以實現1:1復原城市原貌空間，進行細化顆粒度到建築、道路、管線、設備等底層規劃，具體到施工層面，可以進行工程施工的可視化管理和環境的實時監測。另外，在城市管理上，藉助數字孿生技術，可以建設數字駕駛艙以數字化方式展現現在城市運營態勢，實現城市管理決策協同化和智能化，推動像虛擬交互、智慧服務等城市公共服務系統。
在智慧醫療的建設上，一系列移動監測、移動診室、無線遠程會診、智慧處方、醫療信息雲存儲等智能技術手段的應用，正在提升城市醫療的覆蓋面，提升醫療資源分配的效率。
未來，數字孿生技術在實現全社會“電子醫療”服務體系中，將發揮重要作用。比如，基於患者的健康檔案、就醫史、用藥史、智能可穿戴設備監測數據等信息可在雲端爲患者建立“醫療數字孿生”，在生物芯片、增強分析、邊緣計算、人工智能等技術的支撐下模擬人體運作，實現對醫療個體健康狀況預測分析和精準醫療診斷。
通過“醫療數字孿生”，可以實現對患者的精準醫療，實時的健康監測管理和遠程醫療，從而實現醫療監護設備的小型化，發展智慧家庭健康保健、健康監護，大幅降低城市公衆醫療負擔，緩解城市醫療資源緊缺的壓力。
當然，除了像一開始介紹的航空航天領域，數字孿生還可以被廣泛應用於電力、船舶、交通、農業、建築、石油天然氣、環境保護等幾乎所有行業，可謂是數字經濟的未來“基石”。
支撐萬億規模的市場變革：
數字孿生的未來產業圖譜
在這本白皮書當中，對數字孿生產業的相關版圖進行了極爲詳盡的介紹。而我們只能管中窺豹式的進行一番產業版圖的速覽，來看下數字孿生技術將具有怎樣的產業影響力。
數字孿生的產業版圖可以從其技術生態系統的圖譜來了解，白皮書將數字孿生劃分爲“基礎支撐”、“數據互動”、“模型構建”、“仿真分析”、“共性應用”、“行業應用” 6大核心模塊，對應從設備、數據到行業應用的全生命週期。
目前，國內外主要廠商主要有建模業務、仿真業務、平臺業務、行業服務業務四大類。
在基礎支撐層面，主要是可以構建數字孿生基礎的物聯網終端提供芯片、傳感器業務等廠商。目前來說現在全球所有芯片巨頭都將物聯網芯片作爲未來的主要戰場，物聯網傳感器也是衆多美國、日本、德國半導體公司爭奪的主要市場。另外像監控設備這樣的邊緣設備，我國的企業具有比較強的優勢。
在數據互動層，數字孿生的構建需要通過軟件定義的工具和平臺提供支持，目前這些工具和平臺主要都掌握在國際的軟件巨頭手中，比如Bentley 的 iTwin Service， ANSYS 的 TwinBuilder，微軟的 Azure，達索的3D Experience 等。
在仿真分析層，爲數字化模型中融入物理規律和機理的計算、分析等能力，必須使用到仿真軟件，包括像CAD、EDA等工業仿真軟件和像交通、物流領域的複雜系統仿真軟件。目前我國在仿真軟件的國產化上，還無法達到國外一線產品的水平。
在模型構建層，在我國主要進行數字化建模服務的企業以國有測繪企業爲主，市場規模目前達到數百億，但提供測繪數據服務的軟件仍以採購國外軟件爲主。
在共性應用層，也同樣依靠國外主流的這幾家軟件工具和平臺提供支持，雖然目前還缺乏融合數字孿生綜合功能需求的一體化平臺出現，但是不同行業、應用場景的邊界正在打通。
在支撐技術層，面向雲計算、人工智能、邊緣計算、安全等技術領域的企業都在從其自身優勢領域切入數字孿生的產業佈局中。
在行業應用層，聚集了數千家國內外企業，針對各行業需求的數字孿生技術，提供包括像智慧城市、交通、水利、工程、工業生產、能源、自動駕駛、公共應急等領域的各種應用服務，有些行業市場規模都普遍超千億，智慧城市更是一個綜合規模上萬億的巨無霸市場。
整體上，仍然是具有基礎軟件平臺的企業有先發優勢和實力，而像國內的一些製造企業也在積極部署數字孿生系統，開始推進這一惠及萬億規模產業變革的新藍海。
根據Gartner 的研究，截至2019年1月進行物聯網建設的企業中，已有13%的企業實施了數字孿生項目，還有62%的企業正在實施或者有計劃實施。無論是數字孿生的產學研生態，還是在各行業中的產業應用，數字孿生正在全面開花，成爲無論是產業互聯網還是新基建等宏觀佈局中重要的技術支撐。
也是在2019年初，凱文·凱利在《連線》雜誌發文，提出“鏡像世界”的概念。他把“鏡像世界”當作互聯網歷史上第三次劃時代意義的的技術平臺，第一次是PC上將信息數字化的萬維網，第二次是移動時代將人類數字化的社交媒體，第三次就是將整個世界數字化的“鏡像世界”。
以此來看，凱文·凱利的“鏡像世界”，更多是站在大衆角度對於“數字孿生”概念的一次演繹，而數字孿生本身就是推動這場“鏡像世界”加速到來的底層力量。
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