數(shù)字孿生（Digital Twin），也稱為數(shù)字映射,、數(shù)字鏡像,，指的是在信息化平臺內(nèi)模擬物理實體、流程或者系統(tǒng)，類似實體系統(tǒng)在信息化平臺中的雙胞胎,。

在智慧城市領域，愛立信公司在計算機中創(chuàng)建一個大型規(guī)模的數(shù)字孿生城市,，來準確模擬5G基站與環(huán)境之間的相互作用,，以便令5G信號達到最佳傳輸性能和覆蓋率。

在建筑模擬領域,，應用數(shù)字孿生可真實模擬建筑的內(nèi)部樣子,。通過數(shù)字孿生在最大程度考量自然光特性的前提下模擬建筑內(nèi)部的光照設計，通過解決平衡照進建筑的光來達到形成恒溫系統(tǒng)并節(jié)約能源,。

那到底什么是數(shù)字孿生,，其本質(zhì)是什么？以及數(shù)字孿生是如何成為現(xiàn)實世界和數(shù)字虛擬世界溝通的橋梁,，今天小億就來分享一下,。

一、什么是數(shù)字孿生,？

1.定義

數(shù)字孿生（Digital Twin）,，也稱為數(shù)字映射、數(shù)字鏡像,，指的是在信息化平臺內(nèi)模擬物理實體,、流程或者系統(tǒng)，類似實體系統(tǒng)在信息化平臺中的雙胞胎,。借助數(shù)字孿生,，可以在信息化平臺上了解物理實體的狀態(tài)，甚至可以對物理實體里面預定義的接口組件進行控制,，從而幫助組織監(jiān)控運營,、執(zhí)行預測性維護和改進流程。

當然,，對于不同現(xiàn)實對象,，其數(shù)字孿生模型構建的側重點和用途不盡相同。對于企業(yè)組織,、城市等實體數(shù)字孿生,，則更強調(diào)對廣域數(shù)據(jù)的聚合融通，著力于通過模擬仿真來優(yōu)化全局決策,、加強協(xié)同,，因此這一用途也越來越得到企業(yè)管理者和政府的重視。

2.本質(zhì)

數(shù)字孿生的本質(zhì)是信息建模,，旨在為現(xiàn)實世界中的實體對象在數(shù)字虛擬世界中構建完全一致的數(shù)字模型,，但數(shù)字孿生涉及的信息建模已不再是基于傳統(tǒng)的底層信息傳輸格式的建模。

而是對實體對象外部形態(tài)、內(nèi)部機理和運行關系等方面的整體抽象描述,，其難度和應用效果相較于傳統(tǒng)建模呈指數(shù)級增長,。主要表現(xiàn)在數(shù)字孿生可以有多個變身，即根據(jù)不同用途和場景構建形態(tài)各異的數(shù)字模型,。

3.特征

（1）虛實映射：數(shù)字孿生技術要求在數(shù)字空間構建物理對象的數(shù)字化表示,，現(xiàn)實世界中的物理對象和數(shù)字空間中的孿生體能夠?qū)崿F(xiàn)雙向映射、數(shù)據(jù)連接和狀態(tài)交互,；

（2）實時同步：基于實時傳感等多元數(shù)據(jù)的獲取,，孿生體可全面、精準,、動態(tài)反映物理對象的狀態(tài)變化,，包括外觀、性能,、位置,、異常等；

（3）共生演進：在理想狀態(tài)下,，數(shù)字孿生所實現(xiàn)的映射和同步狀態(tài)應覆蓋孿生對象從設計,、生產(chǎn)、運營到報廢的全生命周期,，孿生體應隨孿生對象生命周期進程而不斷演進更新,；

（4）閉環(huán)優(yōu)化：建立孿生體的最終目的，是通過描述物理實體內(nèi)在機理,，分析規(guī)律,、洞察趨勢，基于分析與仿真對物理世界形成優(yōu)化指令或策略,，實現(xiàn)對物理實體決策優(yōu)化功能的閉環(huán),。

二、數(shù)字孿生的應用價值

這些物理操作的虛擬“克隆體”可以幫助組織監(jiān)控操作,、執(zhí)行預測性維護并為資本購買決策提供洞察力,。它們還可以幫助組織模擬那些過于耗時或昂貴，而無法使用實物資產(chǎn)進行測試的場景,，創(chuàng)建長期業(yè)務計劃,，識別新發(fā)現(xiàn)并改進流程?？偟膩碚f,，數(shù)字孿生提供了五個關鍵優(yōu)勢：

1.加快風險評估和生產(chǎn)時間：數(shù)字孿生可以幫助公司在產(chǎn)品問世之前對其進行虛擬測試和驗證。工程師可以使用它們來識別流程故障,；

2.預測性維護：組織可以使用數(shù)字孿生主動監(jiān)控設備和系統(tǒng),，以便在它們發(fā)生故障之前安排維護,，從而提高生產(chǎn)效率；

3.實時遠程監(jiān)控：用戶可以遠程監(jiān)控和控制系統(tǒng),；

4.更好的團隊協(xié)作：流程自動化和對系統(tǒng)信息的24×7全天候訪問讓技術人員可以將更多時間集中在協(xié)作上,；

5.更好的財務決策：通過集成財務數(shù)據(jù)，組織可以使用數(shù)字孿生做出更好,、更快地調(diào)整決策,。

三、數(shù)字孿生的技術體系

站在技術的角度來看,，數(shù)字孿生的技術體系是非常龐大的,。它的感知,、計算和建模過程,，涵蓋了感知控制、數(shù)據(jù)集成,、模型構建,、模型互操作、業(yè)務集成,、人機交互等諸多技術領域,。

數(shù)字孿生的技術競爭，實際上是云計算,、大數(shù)據(jù),、3D建模、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及人工智能等ICT先進技術綜合實力的博弈,。

比如,，如果把數(shù)字孿生的構建比作“數(shù)字人”的創(chuàng)造，則其核心的建模過程相當于骨架的搭建過程,；采集數(shù)據(jù),、開展數(shù)據(jù)治理和大數(shù)據(jù)分析，相當于生成人的肌肉組織,；

而數(shù)據(jù)在物理世界和虛擬空間之間的雙向流動正如人體的血液,，所提供的動能使數(shù)字機體不斷成長，對物理世界對象的映射更趨精準,；模擬仿真使“數(shù)字人”具備智慧,，從而使通過虛擬空間高效率、低成本優(yōu)化物理實體成為可能,。

四,、數(shù)字孿生的應用場景及案例

構建數(shù)字孿生模型不是目的，而是手段,，人們寄希望于通過對數(shù)字孿生模型的分析,，來改善其對應的現(xiàn)象對象的性能和運行效率,。

1. 實物的數(shù)字孿生可以提升工業(yè)產(chǎn)品在研發(fā)、運維等全生命周期內(nèi)的效益

實物數(shù)字孿生應用的價值是通過虛實融合,、虛實映射,，持續(xù)改進產(chǎn)品的性能，提高產(chǎn)品運行的安全性,、可靠性,、穩(wěn)定性，提升產(chǎn)品運行的“健康度”,，從而提升產(chǎn)品在市場上的競爭力,。同時，通過對產(chǎn)品的結構,、材料,、制造工藝等各方面的改進，降低產(chǎn)品成本,，幫助企業(yè)提高盈利能力,。

例如美國通用公司在其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺Predix上利用實物的數(shù)字孿生技術，對飛機發(fā)動機進行實時監(jiān)控,、故障檢測和預測性維護,；在產(chǎn)品報廢回收再利用的生命周期中，可以根據(jù)產(chǎn)品的使用履歷,、維修物料清單和更換備品備件的記錄,，結合數(shù)字孿生模型的仿真結果，判斷零件的健康狀態(tài),。

2. 以企業(yè)組織實體為對象的數(shù)字孿生能大幅提升企業(yè)整體的數(shù)字化,、智能化經(jīng)營水平，實現(xiàn)降本增效

很多企業(yè)在信息化建設過程中所使用的ERP,、CRM,、MES、FMS等條塊化的信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)上彼此獨立,，事實上形成了企業(yè)內(nèi)部大量的“數(shù)據(jù)孤島”,，管理層很難及時了解企業(yè)經(jīng)營的全貌。現(xiàn)有的企業(yè)管理軟件設計思路多為模擬企業(yè)的實體業(yè)務過程及線下操作的動作,，如各種單據(jù),、表樣、流程等,，而不是建立實體業(yè)務的數(shù)字化模型,。因此產(chǎn)生了大量的冗余數(shù)據(jù)，一致性也較差,。

通過多維建模,，企業(yè)數(shù)字孿生通過建立企業(yè)實體業(yè)務的多維模型,，實現(xiàn)對業(yè)務數(shù)據(jù)的實時分析，并基于業(yè)務動因?qū)崟r預測業(yè)務結果,，預警風險并及時調(diào)整,，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、建模仿真,、分析預警,、決策支持的實時一體化。

3. 數(shù)字孿生技術也正逐步在更廣泛的領域得以應用

數(shù)字孿生城市已成為支撐智慧城市建設的技術體系,，是虛實交融的城市未來的發(fā)展形態(tài),，如新加坡政府主導推動的“虛擬新加坡”項目，通過數(shù)字孿生實現(xiàn)動態(tài)三維城市模型和協(xié)作數(shù)據(jù)平臺,。在英國推動的“數(shù)字英國”戰(zhàn)略項目中,，信息管理框架成為英國國家級數(shù)字孿生體的核心技術載體。

五,、數(shù)字孿生面臨的挑戰(zhàn)

數(shù)字孿生的技術實現(xiàn)依賴于諸多新技術的發(fā)展和高度集成,，以及跨學科知識的綜合應用,，是一個復雜的,、協(xié)同的系統(tǒng)工程，涉及的關鍵技術方法包括建模,、大數(shù)據(jù)分析,、機器學習、模擬仿真等,。

數(shù)字孿生建模技術經(jīng)歷了從實物的“組件組裝”式建模到復雜實體的多維深度融合建模的發(fā)展,。由于數(shù)字孿生存在海量數(shù)據(jù)存儲及大數(shù)據(jù)分析，因此對數(shù)據(jù)的存儲能力和計算能力提出了較大的挑戰(zhàn),。

除此以外,，數(shù)字孿生對處理芯片、數(shù)據(jù)平臺,、設備等都提出了高要求主要表現(xiàn)在以下3個方面：

（1）數(shù)字孿生設計的模型與數(shù)據(jù)規(guī)模龐大,，包括建模對象全生命周期中不斷更新的全要素、全業(yè)務,、全流程的數(shù)據(jù)與模型,，需要計算機硬件具備巨大的處理能力。

（2）數(shù)字孿生對模型仿真與數(shù)據(jù)分析處理效率有實時要求,，即基于實時的模型方針與數(shù)據(jù)分析結果向物理空間反饋控制策略,，這需要計算設備或硬件具有強大的計算能力。

（3）數(shù)字孿生對終端設備提出更互動,、更沉浸,、更清晰的要求,，這對設備的數(shù)據(jù)傳輸能力、顯示技術等提出了更高要求,。尤其是處理芯片和數(shù)據(jù)平臺等,，成為促進數(shù)字孿生高效率、高速,、高質(zhì)量運行的推動條件,。

六、億信華辰數(shù)字孿生落地典型應用

1.設備級數(shù)字孿生

構建設備級數(shù)字孿生,，通過三維建模能夠高度還原設備的外形,、材質(zhì)、紋理細節(jié)等精密顯示細節(jié)以及復雜內(nèi)部結構,，實現(xiàn)高精度,、超精細的可視化渲染；支持設備組態(tài)結構,、復雜動作的全數(shù)據(jù)驅(qū)動顯示,，對設備位置分布、類型,、運行環(huán)境,、運行狀態(tài)進行真實復現(xiàn)，不僅可以看到產(chǎn)品外部的變化,，更重要的是可以看到產(chǎn)品內(nèi)部的每一個零部件的工作狀態(tài),，對設備運行異常實時告警，輔助管理者直觀掌握設備運行狀態(tài),，及時發(fā)現(xiàn)設備安全隱患,。

借助億信ABI，利用3D可視化技術將工廠的管理,、生產(chǎn),、決策有機地統(tǒng)一起來，加入工廠的內(nèi)部監(jiān)督與管控,，從而達到降低成本,、提高效率、減少環(huán)節(jié),、查找問題,、分析得失等目的，形成互相關聯(lián),、整體一致的智慧工廠運營平臺,。

2.園區(qū)級數(shù)字孿生

基于數(shù)據(jù)可視化構建園區(qū)級數(shù)字孿生，能夠在有效整合園區(qū)運營各類信息資源的基礎上,，基于三維可視化場景,，對園區(qū)外部環(huán)境,、建筑、產(chǎn)業(yè)分布,、樓宇內(nèi)部結構以及具體設備運行情況進行精準復現(xiàn),。通過整合園區(qū)各領域現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源，對園區(qū)綜合運營,、安防,、交通管理、設施管理,、能效管理,、環(huán)境空間管理等業(yè)務領域的關鍵指標進行綜合監(jiān)測分析。

借助億信ABI搭建的一個集園區(qū)生產(chǎn),、園區(qū)運營,、園區(qū)決策多維一體的智慧園區(qū)運營管理平臺，借助地理信息技術,、三維虛擬化等高科技手段,，集地上地下、室內(nèi)室外一體化的二三維模型為一體,，將園區(qū)核心運行系統(tǒng)的各項關鍵數(shù)據(jù)進行綜合展現(xiàn),。對園區(qū)人、事,、物進行統(tǒng)一管理,，可以輔助管理者對園區(qū)運行態(tài)勢進行全面感知,、綜合研判,，實現(xiàn)管理精細化、決策科學化和服務高效化,。

3.城市級數(shù)字孿生

通過數(shù)據(jù)可視化,，構建城市級數(shù)字孿生，能夠在充分整合城市各領域信息資源的基礎上,，將大規(guī)模城市各領域管理要素進行精準復現(xiàn),，并對細分業(yè)務領域數(shù)據(jù)指標進行多維度可視分析，實現(xiàn)從全域視角到微觀領域,，對城市運行態(tài)勢進行全息動態(tài)感知,。

基于億信ABI搭建智慧城市系統(tǒng)，整合人口,、單位,、建筑、車輛,、軌跡,、污染物,、生態(tài)等核心數(shù)據(jù)，覆蓋城市全景可視化,、城市治理監(jiān)測,、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、經(jīng)濟發(fā)展監(jiān)測,、交通運行監(jiān)測,、公共安全監(jiān)測、聯(lián)動指揮監(jiān)測等多個業(yè)務領域,，賦能用戶業(yè)務應用,，實現(xiàn)“智能感知、智能分派,、智能處置,、智能考評、智能改進”,，有效提升跨部門決策和資源協(xié)調(diào)效率,。

七、小結

數(shù)字孿生是大數(shù)據(jù),、人工智能,、物聯(lián)網(wǎng)和深度學習等蓬勃發(fā)展背景下，在傳統(tǒng)仿真技術基礎上孕育而生的新技術,，作為一項“虛實結合”的數(shù)字化轉型技術,，正在各個領域加速落地。

比如,，隨著城市數(shù)字模型的擴充與發(fā)展,，數(shù)字孿生技術將覆蓋城市的每條電力線、變電站,、污水系統(tǒng),、供水和排水系統(tǒng)、城市應急系統(tǒng),、交通控制系統(tǒng)等諸多地方,。

當下，數(shù)字孿生技術的瓶頸來自方方面面,，暫時還無法大規(guī)模普及使用,，但它可以為工業(yè)制造、未來生活帶來無限的可能,，隨著芯片,、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、軟件算法等技術的發(fā)展,，數(shù)字孿生將有更多想象空間,。