數字孿生：別樣的“鏡花水月”

樂佳

什么是數字孿生

數字孿生（Digital Twin）的概念最早是由密西根大學的Michael Grieves教授在其2002年發表的一篇文章中提出的。目前，對于數字孿生的通用定義為：充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。我們將上述定義中一些復雜的技術性概念剔除掉后，可以將其簡化為：數字孿生完成的是現實世界中物理模型在虛擬空間的映射。

我們可以用照鏡子的例子來更加形象地加以描述：數字孿生就好比是一面“鏡子”，它通過各種感知技術采集現實世界中物理模型的各種數據，然后根據這些數據，通過數字技術在虛擬空間中投影出一個和該物品完全一模一樣的實體。但和通過現實世界中的鏡子我們只能看到物品的外觀不同，通過數字孿生這面“鏡子”我們還能看到該物品內部的構造，而且在這面“鏡子”中物品是立體的，甚至是可以“觸碰”的。不僅如此，我們還能通過這面“鏡子”實時觀察物品內部的運行情況，監控各種運行參數。比如我們使用數字孿生映射了一臺汽車，并在我們的數字設備中進行了可視化，我們得到了和這臺汽車無論外形還是內部構造都一模一樣的數字實體，由于在運行過程中，這臺汽車和它的數字實體中的各個汽車零部件的運行參數是實時同步的，我們便可以使用這個數字實體來實時監控我們汽車的健康狀況，甚至可以通過修改數字實體來達到修改汽車實際運行參數的目的。

目前，數字孿生還是一個較新的概念，還處于發展的早期階段，離我們描述中的場景還有較遠的路要走，結合當前5G、物聯網和人工智能等高新技術的發展趨勢來看，數字孿生未來將在工業制造、智能家居和智能醫療等領域有較大的應用場景。

數字孿生與工業制造

在未來，數字孿生無疑會為工業制造領域帶來巨大的變革，任何一個產品在其設計和研發之初，便使用數字孿生技術構建一個與之完全對應的數字實體，這個數字會伴隨這個產品生產制造、上線運行的整個生命周期，方便生產者和使用者對其整個生命期中，各個重要部件和參數的實時監控以及運維管理。我們以一架飛機的制造為例加以說明：在一架飛機的設計階段，可以使用數字孿生并結合以往的歷史數據來設計飛機的結構和模型，并通過模擬實驗來驗證相關的設計在各種環境下的性能;在生產階段則可以利用數字孿生技術實時監控各項生產指標，發現問題時可以及時調整生產策略，從而提高生產的效率和質量;當飛機交付運行后則可以利用數字孿生技術來實時監控飛機的運行情況，從而幫助運維人員制定更好的運維策略。實際上，當前已經有很多制造行業（如：汽車、飛機等）開始引入簡單的數字孿生技術來提高產品制造的效率和質量。波音首席執行官Dennis Muilenburg就曾明確表示：“數字孿生技術讓飛機的質量提升了 40%-50%，我們依然處于這項技術很早期的階段。相信未來，數字孿生和工業制造一定能擦出更多火花。”

數字孿生與智能生活

隨著物聯網、5G、人工智能的興起，我們的家居生活將變得越來越智能;數字孿生將為智能家居中的各種智能家用設備（如：智能電視、智能冰箱、智能掃地機器人等）的統一管理提供較好的解決方案。數字孿生技術將為這些智能設備的管理提供一個“所見即所得”的管理方式，從而使得智能家居更加智能和高效。

在未來，我們可能一出生便會有一個和自己一模一樣的數字孿生體，這個孿生體將和我們一起成長，通過它我們可以實時了解自己的身體情況：心跳速率、血壓、疾病情況等。從而方便我們根據身體的實際情況制定相關的飲食方案以及運動計劃。此外，當身體出現狀況時，會及時通知我們，并為我們提供身體機能的歷史數據，方便我們及時就醫并制定相關的治療方案。

目前來看，數字孿生還是襁褓中的嬰兒，但長遠來看，其未來必將改變我們工作和生活的方方面面。