數(shù)字孿生：如何撐起一個萬億市場的產(chǎn)業(yè)變革？
2020-12-10新聞
今天我們介紹一個在產(chǎn)業(yè)界如火如荼，但大眾還非常陌生的概念：數(shù)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(lián)著名的昆蟲學家、數(shù)學家和哲學家——柳比歇夫。在26歲那一年，他獨創(chuàng)了一種“時間統(tǒng)計法”，可以通過記錄每天做的每件事情所花銷時間，經(jīng)過統(tǒng)計分析，進行每月小結(jié)和年終總結(jié)，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(tǒng)計法”，他沿用了56年，直到逝世。那么，他的學術成果呢？確實非常驚人，一生發(fā)布了70多部專著。但他并不是一個整日鉆進書齋里的老學究，從那本《奇特的一生》中，可以看到他的業(yè)余時間非常充裕，甚至每天只需工作幾個小時，他還能完成大量的社交、旅行還有休閑。 講到這里，做自媒體的我們可能都會覺得非常慚愧。言歸正傳，這里講到柳比歇夫和他的“時間統(tǒng)計法”，是因為這一方法跟今天要講的“數(shù)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。這就仿佛在日記本上完全復刻了一個柳比歇夫的數(shù)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(shù)據(jù)表格，打上各種標簽，我們就可以對其完成的各類事情進行準確的分類統(tǒng)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(chǎn)生“奇跡”。 不過，“數(shù)字孿生”的野心更大，其想實現(xiàn)的是對整個物理世界的完整的數(shù)字映射。 雙11這天，中國國際高新技術成果交易會發(fā)布了工信部的《數(shù)字孿生應用白皮書2020版》。借著這一白皮書的發(fā)布時機，我們一起來聊聊數(shù)字孿生這一概念和其可能所帶來的應用場景和產(chǎn)生的產(chǎn)業(yè)變革影響。 數(shù)字孿生：為物理世界 “復制”一個虛擬數(shù)字分身 “數(shù)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(tǒng)或飛行器仿真過程”，接下來，“數(shù)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(jīng)出現(xiàn)，當時美國NASA在“阿波羅計劃”中，構(gòu)建了兩個相同的航天飛行器，其中一個發(fā)射到太空執(zhí)行任務，另一個留在地球上用于反映太空中航天器在任務期間的工作狀態(tài)，從而輔助工程師分析處理太空中出現(xiàn)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(shù)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(chǎn)品的全生命周期管理”課程上提出了“數(shù)字孿生”的設想，只是當時稱之為“Conceptual Ideal for Product Lifecycle Management”，PLM的主要構(gòu)想就是在虛擬空間構(gòu)建一套數(shù)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周期的運行軌跡。 現(xiàn)在，隨著數(shù)字化技術在消費互聯(lián)網(wǎng)和產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的深入應用，“數(shù)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(shù)字孿生”這一術語已經(jīng)被Gartner列為2019年十大戰(zhàn)略性技術趨勢之一。 如何來理解“數(shù)字孿生”概念呢？從國際標準化組織的定義來看，數(shù)字孿生是具有數(shù)據(jù)連接的特定物理實體或過程的數(shù)字化表達，該數(shù)據(jù)連接可以保證物理狀態(tài)和虛擬狀態(tài)之間的同速率收斂，并提供物理實體或流程過程的整個生命周期的集成視圖，有助于優(yōu)化整體性能。 通俗來講，就是針對物理世界的實體，通過數(shù)字化手段構(gòu)建一個數(shù)字世界中的“完整分身”，能夠和物理實體保持實時的交互聯(lián)接，借助歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)以及算法模型等，通過模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程，實現(xiàn)對物理實體的了解、分析和優(yōu)化。 從企業(yè)的角度來看，就是對企業(yè)資產(chǎn)和流程進行數(shù)字化表示，從而了解、預測和優(yōu)化業(yè)務流程以改善業(yè)務成果。 從以上定義可以看到，數(shù)字孿生所具有的特征，包括： 1、互操作性，即數(shù)字孿生中的物理實體和數(shù)字空間的虛擬實體能夠雙向映射、動態(tài)交互和實時連接。 2、可擴展性，即數(shù)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(shù)字模型內(nèi)容進行擴展。 3、實時性，即數(shù)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(tài)的數(shù)字表征。 4、保真性，即數(shù)字化虛擬實體與物理實體保持在樣態(tài)、狀態(tài)、相態(tài)和時態(tài)上的高度仿真。 5、閉環(huán)性，即數(shù)字化虛擬實體可以描述物理實體的可視化模型和內(nèi)在機理，以便對物理實體狀態(tài)數(shù)據(jù)進行監(jiān)視、分析、推理、優(yōu)化工藝參數(shù)和運行參數(shù)，實現(xiàn)決策功能，形成閉環(huán)性。 以上是對“數(shù)字孿生”概念和技術特征的理論介紹，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(zhí)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(huán)境特別危險，也沒有機會進行預演和試錯，那么我們該怎么辦？ 如果我們有一套整個空間站的數(shù)字孿生系統(tǒng)，宇航員就可以模擬出一個和現(xiàn)實狀況一樣的虛擬環(huán)境，進行反復試驗，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，避免人為試錯的巨大風險。如此，我們就可以理解數(shù)字孿生的實現(xiàn)特點和重要價值了。 那么，數(shù)字孿生可以應用在哪些領域呢？ “萬物皆數(shù)據(jù)”： 無處不及的數(shù)字孿生應用場景 當前，在國內(nèi)外復雜的經(jīng)濟政治格局下，數(shù)字經(jīng)濟在推動經(jīng)濟發(fā)展，提高勞動生產(chǎn)率，培育新市場和產(chǎn)業(yè)新增長點，實現(xiàn)包容性增長和可持續(xù)增長等諸多方面都在發(fā)揮著重要作用。根據(jù)最新數(shù)據(jù)，2019年數(shù)字經(jīng)濟占據(jù)我國GDP的比重已經(jīng)達到36.2%，數(shù)字經(jīng)濟增加值規(guī)模達到35.8萬億元。 數(shù)字孿生作為數(shù)字經(jīng)濟當中一項關鍵技術和高效能工具，可以有效發(fā)揮其在模型設計、數(shù)據(jù)采集、分析預測、模擬仿真等方面的作用，助力推進產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，促進數(shù)字經(jīng)濟與實體經(jīng)濟融合發(fā)展。 現(xiàn)在，得益于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息技術的發(fā)展，數(shù)字孿生在各領域得到越來越廣泛的應用實施。 （圖源：《數(shù)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(yè)制造、智慧城市以及智慧醫(yī)療這三個重要場景來了解下數(shù)字孿生的應用。 在工業(yè)制造領域，存在的一大問題就是因信息多源、異構(gòu)、異地、分散形成的信息孤島，難以發(fā)揮信息數(shù)字化的價值。數(shù)字孿生為工業(yè)生產(chǎn)建立起了可以投射物理設備的虛擬空間，能夠仿真復雜的制造工藝，實現(xiàn)產(chǎn)品設計、制造和智能服務等閉環(huán)優(yōu)化。 比如在工業(yè)產(chǎn)品世界中，虛擬的數(shù)字孿生空間可以預先完成產(chǎn)品的部件設計修改、尺寸裝配等模擬工作，不需要實際生產(chǎn)和驗證，從而大幅降低產(chǎn)品的驗證工作和工期成本。在制造生產(chǎn)中，為避免意外事故，可以在虛擬數(shù)字空間中進行設備診斷、過程模擬等仿真預測，從而防止現(xiàn)場故障、生產(chǎn)異常產(chǎn)生的嚴重后果。 另外，一套完整的數(shù)字孿生的制造系統(tǒng)，相比較傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)，具有生產(chǎn)要素多樣、動態(tài)生產(chǎn)路徑配置、人機物自主通信、自組織和可數(shù)據(jù)支撐決策等特點，可以統(tǒng)籌協(xié)調(diào)系統(tǒng)內(nèi)外部變化，實現(xiàn)資源能源優(yōu)化配置。 在智慧城市建設中，面臨著新型技術聚合式創(chuàng)新的技術瓶頸，推動智慧城市的有機融合的統(tǒng)一ICT架構(gòu)模塊尚未實現(xiàn)，城市運行和治理的水平有量的提升而沒有質(zhì)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(yè)務系統(tǒng)機制沒有建立起來。 數(shù)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(shù)字化，在網(wǎng)絡空間再造一個相對于的“虛擬城市”，形成物理實體世界和信息維度的數(shù)字虛擬世界的共生共存、虛實結(jié)合的一種形態(tài)。借助數(shù)字孿生城市，可以提升城市的整體規(guī)劃質(zhì)量，提前謀劃、科學驗證，避免不切實際的規(guī)劃，也提升規(guī)劃的效率。基于全城市要素的數(shù)據(jù)，可以推動以人為核心的城市設計、交通規(guī)劃等，具體到設計層面，可以實現(xiàn)1:1復原城市原貌空間，進行細化顆粒度到建筑、道路、管線、設備等底層規(guī)劃，具體到施工層面，可以進行工程施工的可視化管理和環(huán)境的實時監(jiān)測。另外，在城市管理上，借助數(shù)字孿生技術，可以建設數(shù)字駕駛艙以數(shù)字化方式展現(xiàn)現(xiàn)在城市運營態(tài)勢，實現(xiàn)城市管理決策協(xié)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(tǒng)。 在智慧醫(yī)療的建設上，一系列移動監(jiān)測、移動診室、無線遠程會診、智慧處方、醫(yī)療信息云存儲等智能技術手段的應用，正在提升城市醫(yī)療的覆蓋面，提升醫(yī)療資源分配的效率。 未來，數(shù)字孿生技術在實現(xiàn)全社會“電子醫(yī)療”服務體系中，將發(fā)揮重要作用。比如，基于患者的健康檔案、就醫(yī)史、用藥史、智能可穿戴設備監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息可在云端為患者建立“醫(yī)療數(shù)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(xiàn)對醫(yī)療個體健康狀況預測分析和精準醫(yī)療診斷。 通過“醫(yī)療數(shù)字孿生”，可以實現(xiàn)對患者的精準醫(yī)療，實時的健康監(jiān)測管理和遠程醫(yī)療，從而實現(xiàn)醫(yī)療監(jiān)護設備的小型化，發(fā)展智慧家庭健康保健、健康監(jiān)護，大幅降低城市公眾醫(yī)療負擔，緩解城市醫(yī)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(shù)字孿生還可以被廣泛應用于電力、船舶、交通、農(nóng)業(yè)、建筑、石油天然氣、環(huán)境保護等幾乎所有行業(yè)，可謂是數(shù)字經(jīng)濟的未來“基石”。 支撐萬億規(guī)模的市場變革： 數(shù)字孿生的未來產(chǎn)業(yè)圖譜 在這本白皮書當中，對數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)的相關版圖進行了極為詳盡的介紹。而我們只能管中窺豹式的進行一番產(chǎn)業(yè)版圖的速覽，來看下數(shù)字孿生技術將具有怎樣的產(chǎn)業(yè)影響力。 數(shù)字孿生的產(chǎn)業(yè)版圖可以從其技術生態(tài)系統(tǒng)的圖譜來了解，白皮書將數(shù)字孿生劃分為“基礎支撐”、“數(shù)據(jù)互動”、“模型構(gòu)建”、“仿真分析”、“共性應用”、“行業(yè)應用” 6大核心模塊，對應從設備、數(shù)據(jù)到行業(yè)應用的全生命周期。 目前，國內(nèi)外主要廠商主要有建模業(yè)務、仿真業(yè)務、平臺業(yè)務、行業(yè)服務業(yè)務四大類。 在基礎支撐層面，主要是可以構(gòu)建數(shù)字孿生基礎的物聯(lián)網(wǎng)終端提供芯片、傳感器業(yè)務等廠商。目前來說現(xiàn)在全球所有芯片巨頭都將物聯(lián)網(wǎng)芯片作為未來的主要戰(zhàn)場，物聯(lián)網(wǎng)傳感器也是眾多美國、日本、德國半導體公司爭奪的主要市場。另外像監(jiān)控設備這樣的邊緣設備，我國的企業(yè)具有比較強的優(yōu)勢。 在數(shù)據(jù)互動層，數(shù)字孿生的構(gòu)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，為數(shù)字化模型中融入物理規(guī)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(yè)仿真軟件和像交通、物流領域的復雜系統(tǒng)仿真軟件。目前我國在仿真軟件的國產(chǎn)化上，還無法達到國外一線產(chǎn)品的水平。 在模型構(gòu)建層，在我國主要進行數(shù)字化建模服務的企業(yè)以國有測繪企業(yè)為主，市場規(guī)模目前達到數(shù)百億，但提供測繪數(shù)據(jù)服務的軟件仍以采購國外軟件為主。 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(shù)字孿生綜合功能需求的一體化平臺出現(xiàn)，但是不同行業(yè)、應用場景的邊界正在打通。 在支撐技術層，面向云計算、人工智能、邊緣計算、安全等技術領域的企業(yè)都在從其自身優(yōu)勢領域切入數(shù)字孿生的產(chǎn)業(yè)布局中。 在行業(yè)應用層，聚集了數(shù)千家國內(nèi)外企業(yè)，針對各行業(yè)需求的數(shù)字孿生技術，提供包括像智慧城市、交通、水利、工程、工業(yè)生產(chǎn)、能源、自動駕駛、公共應急等領域的各種應用服務，有些行業(yè)市場規(guī)模都普遍超千億，智慧城市更是一個綜合規(guī)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(yè)有先發(fā)優(yōu)勢和實力，而像國內(nèi)的一些制造企業(yè)也在積極部署數(shù)字孿生系統(tǒng)，開始推進這一惠及萬億規(guī)模產(chǎn)業(yè)變革的新藍海。 根據(jù)Gartner 的研究，截至2019年1月進行物聯(lián)網(wǎng)建設的企業(yè)中，已有13%的企業(yè)實施了數(shù)字孿生項目，還有62%的企業(yè)正在實施或者有計劃實施。無論是數(shù)字孿生的產(chǎn)學研生態(tài)，還是在各行業(yè)中的產(chǎn)業(yè)應用，數(shù)字孿生正在全面開花，成為無論是產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還是新基建等宏觀布局中重要的技術支撐。 也是在2019年初，凱文·凱利在《連線》雜志發(fā)文，提出“鏡像世界”的概念。他把“鏡像世界”當作互聯(lián)網(wǎng)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(shù)字化的萬維網(wǎng)，第二次是移動時代將人類數(shù)字化的社交媒體，第三次就是將整個世界數(shù)字化的“鏡像世界”。
