數(shù)字孿生：工業(yè)智能化與數(shù)字化的超強賦能_動態(tài)

【銳眼看市】

據(jù)Gartner統(tǒng)計，目前全球部署物聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)和組織中已有16%應用數(shù)字孿生，62%的組織正在準備使用數(shù)字孿生；同時Gartner預測，明年全球?qū)⒂谐傻拇笮凸I(yè)企業(yè)使用數(shù)字孿生，從而使這些企業(yè)的效率提高10%。

【資料圖】

張銳

數(shù)字時代大背景下，數(shù)實融合發(fā)展不斷深入，數(shù)字孿生作為產(chǎn)業(yè)數(shù)字化核心技術(shù)之一越來越受到關(guān)注。在日前舉行的2022騰訊全球數(shù)字生態(tài)大會上，騰訊發(fā)布了《騰訊數(shù)字孿生云白皮書》（以下簡稱“白皮書”），并向業(yè)內(nèi)首次發(fā)布了數(shù)字孿生云平臺。白皮書顯示，數(shù)字孿生已成為科技戰(zhàn)略和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵抓手，在社會經(jīng)濟的許多領域尤其工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)將發(fā)揮極其強大的賦能作用。

“數(shù)字孿生”一詞聽上去雖有點高大上，但其實很接地氣，比如當我們聽到“雙胞胎”、“孿生兄弟”抑或“孿生姐妹”的詞語時，眼前馬上會浮現(xiàn)兩個或三個以上長得完全或基本一樣的人物，“數(shù)字孿生”也是這個理，只不過這里的“雙胞胎”是數(shù)字雙胞胎。按照美國航空航天局（NASA）給出的最權(quán)威解釋，數(shù)字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對實體產(chǎn)品的鏡像，反映了相對應物理實體產(chǎn)品的全生命周期過程。說得通俗些，數(shù)字孿生就是將現(xiàn)實世界的物理體或者系統(tǒng)以及流程等復制到虛擬空間，生成一個“克隆體”，二者因此不同于物理世界中的“雙胞胎”存在于同一時空維度，數(shù)字孿生中的雙胞胎分列于兩個平行世界。

既然數(shù)字雙胞胎中有一個是“克隆體”，那么很多人可能就認為數(shù)字孿生就是日常生活中大家可以隨手拈來的拍照留影，或者再高深一點就是人們能夠理解的仿真模擬技術(shù)。其實不然。數(shù)字孿生除實時與準時創(chuàng)建與物理實體等價的“克隆體”外，更重要的是它還會“動”，即根據(jù)傳感現(xiàn)實數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)以及物理本體周邊場景數(shù)據(jù)進行仿真分析，為物理實體的后續(xù)運行產(chǎn)生和輸出改進與優(yōu)化方案，并輻射到物理實體的全生命周期過程，因此，雙向性即本體向?qū)\生體輸出數(shù)據(jù)和建成模型，同時孿生體向本體反饋信息和輸出優(yōu)解是數(shù)字孿生的核心特征，數(shù)字孿生與僅能對物理目標進行機械化與單向化投射的拍照與仿真技術(shù)由此鮮明區(qū)別開來，同時也由此看出，數(shù)字孿生可以支持與引導人們穿越虛實界墻，在物理主體與數(shù)字模型之間自由交互與行走，實現(xiàn)現(xiàn)實世界與虛擬世界的彼此交融。

當然，數(shù)字孿生中的確有仿真技術(shù)的作用，但后者只能是功能角色之一，圍繞在數(shù)字孿生周圍的還有VR和AR（虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實）、大數(shù)據(jù)、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）以及人工智能等強大技術(shù)矩陣，而且缺一不可，比如沒有物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，數(shù)字孿生就不可能實現(xiàn)兩個世界端與端的鏈接，而失去傳感器，數(shù)據(jù)就只能孤立存在于現(xiàn)實物體，更談不上虛擬世界的信息反饋，同樣，離開了人工智能，數(shù)字模型就等于失去了“大腦”，數(shù)字孿生只能成為僅有軀殼的“胚胎”。當然，在這一技術(shù)方陣中，數(shù)字孿生也猶如可以點火的引擎，帶動各個技術(shù)細胞次序活躍與協(xié)同運轉(zhuǎn)。

全球范圍內(nèi)最先使用數(shù)字孿生的是美國國家航空航天局（NASA）的阿波羅項目，該計劃構(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)，輔助工程師分析處理太空中出現(xiàn)的緊急事件。其中地面的航天飛行器通過乘員、座艙和任務控制臺與多臺計算機的模擬構(gòu)建而成。此舉對作為NASA供應商的工業(yè)生產(chǎn)廠家觸動與啟發(fā)很大，尤其是隨著最近幾年發(fā)達國家先后提出工業(yè)4.0、智能制造以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略，工業(yè)制造領域于是成為了數(shù)字孿生最為活躍的戰(zhàn)場。

對于企業(yè)來說，往往一項新的設備在首次投入使用時會存在風險，比如操作不當導致關(guān)鍵零部件或者整套設備損壞等，但有了數(shù)字孿生，企業(yè)就不需要進行不確定性實地風險測試，實體生產(chǎn)過程都會在有備無患的狀態(tài)啟動與展開。另外，賽博空間（計算機以及計算機網(wǎng)絡里的虛擬現(xiàn)實）的數(shù)據(jù)模型一般與實體物理設備同步進行，傳統(tǒng)狀態(tài)下企業(yè)檢修或者維修機器設備，往往會產(chǎn)生停工停產(chǎn)等不小的機會成本，但一旦實現(xiàn)數(shù)字孿生，所有的故障都首先在桌面上檢測后排除，繼而反饋到實體設備完成檢修任務，整個過程不會影響到機器作業(yè)程序，生產(chǎn)效率由此大大提高。

除了生產(chǎn)設備可以通過數(shù)字孿生變得格外流暢與非常健康外，作為工業(yè)企業(yè)最重要的價值載體，產(chǎn)品及其生產(chǎn)更能夠在數(shù)字孿生的武裝下變得更完善與更利落，即從產(chǎn)品的設計，到產(chǎn)品的制造均可以通過數(shù)據(jù)建模實現(xiàn)全流程的監(jiān)控分析，從中既可以及時調(diào)整與完善產(chǎn)品的形狀、結(jié)構(gòu)以及工藝，又可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量瑕疵，并進行同步性修補與改善。同樣的道理，企業(yè)的整條產(chǎn)品生產(chǎn)線也可以數(shù)字孿生，借助賽博空間生產(chǎn)線的等價映射鏡像，提前優(yōu)化生產(chǎn)流程中的資源與要素配置，同時捕捉與清除相關(guān)的線上堵點，達到對整個產(chǎn)品生產(chǎn)活動的風險隔離與健康管理。

數(shù)字孿生當然可以延伸到后續(xù)服務層面。比如通過對產(chǎn)品的幾何形狀、性能、歷史銷售、用戶反饋等進行建模，就可以改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品運行“黑箱”狀態(tài)，實時監(jiān)測產(chǎn)品的使用與運轉(zhuǎn)狀況，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品具體功能偏差的同時，更能提前預判產(chǎn)品零部件的損壞時間界面，以便主動、及時和提前提供維護服務。根據(jù)知名咨詢公司Gartner發(fā)布的分析報告，基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品智能服務，維修人員的響應時間從原來的300分鐘縮短到了15分鐘，同時一次性修復率從75%提升到92%。

智能車間與智能工廠是數(shù)字孿生的可視化成果。任何一個車間與企業(yè)，都可以將機器裝備、生產(chǎn)制造體系以及倉儲設備等孿生成賽博空間的等價數(shù)據(jù)模型，并借此對實體物理基礎設施的工作狀況進行同步及時的測試與檢測，從中揭示人機匹配與交互程度，勘驗固定資產(chǎn)使用壽命和折舊必要性，同時分析與跟蹤產(chǎn)量進度指標與產(chǎn)品庫存態(tài)勢，預測與排除要素搭配中的掣肘與障礙，發(fā)現(xiàn)與糾正生產(chǎn)過程中的偏差與失誤，確保企業(yè)基礎設施與生產(chǎn)能力在最佳生命時段與優(yōu)化情景中運行遞進。

實體企業(yè)的應用案例有力佐證了數(shù)字孿生的重要價值。美國通用電氣共擁有120萬個數(shù)字孿生體，號稱在每個引擎、每個渦輪、每臺核磁共振創(chuàng)造了一個數(shù)字孿生體，由此造就了GE成為了美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的排頭兵；在產(chǎn)品制造領域，勞斯萊斯使用數(shù)字孿生風扇葉片來制造超級噴氣發(fā)動機，產(chǎn)生了降低燃油消耗25%的效果；產(chǎn)品研發(fā)方面，葛蘭素史克疫苗研發(fā)及生產(chǎn)通過“數(shù)字雙胞胎”的監(jiān)控，企業(yè)的質(zhì)量控制開支減少13%，返工和報廢減少25%，合規(guī)監(jiān)管費用減少了70%。另外，騰訊的數(shù)字孿生應用案例更能全面說明問題。在工業(yè)領域，騰訊為瑞泰馬鋼打造了“透明工廠”，從生產(chǎn)資料進入、訂單匹配、排產(chǎn)以及到生產(chǎn)管理，數(shù)字孿生可以幫助其生產(chǎn)效率提高12%，故障率降低25%，品質(zhì)提升10%。在低碳生產(chǎn)上，瑞泰馬鋼的單位產(chǎn)值能耗大幅降低，從90公斤標準煤/萬元減少到35公斤標準煤/萬元，有效實現(xiàn)了節(jié)能減排。

基于數(shù)字孿生的巨大價值， Gartner連續(xù)六年將“數(shù)字孿生”列為當年的十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢，并預測未來這一技術(shù)物種還會產(chǎn)生更大的破壞性創(chuàng)新。據(jù)Gartner統(tǒng)計，目前全球部署物聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)和組織中已有16%應用數(shù)字孿生，62%的組織正在準備使用數(shù)字孿生；同時Gartner預測，明年全球?qū)⒂谐傻拇笮凸I(yè)企業(yè)使用數(shù)字孿生，從而使這些企業(yè)的效率提高10%；2024年會有超過25%的全新數(shù)字孿生將作為新IoT原生業(yè)務應用的綁定功能被采用。值得注意的是，除了在工業(yè)制造舞臺上盡展風姿外，數(shù)字孿生還可在工程建筑、醫(yī)學分析等行業(yè)助力賦能，更能在城市基礎設施建設、居民出行服務等領域大顯身手，因此國際數(shù)據(jù)公司IDC預測，到2025年，全球數(shù)字孿生市場規(guī)模將增至264.6億美元。

（作者系中國市場學會理事、經(jīng)濟學教授）

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