文/陳根
一直以來，科幻作家們都樂此不疲地想象另類現實和平行世界：當宇航員在遙遠的外太空執行一項緊急的艙外修復任務時，在沒有時間和空間進行觀察，也沒有經驗可以借鑑的情況下，卻通過操作涉及的各項參數、外部環境、時間、溫度整合在一起，模擬出一個和現實一模一樣的虛擬環境，找出最佳的操作方式在規定時間內完成艙外修復任務。
這些我們曾經幻想的遙遠的科幻世界，卻已經悄然走進我們的生活。今天，我們正在以數字形式構建它們。
根據研究集團IDC的數據，到2025年聯網設備的數量預計將增長到420億臺；有鑑於此，我們正在迅速進入“超數據”時代。這些設備中的每一個都會發出持續的數據流，使我們能夠構建一團環繞地球的數字雲，即我們可以創造現實世界的“數字孿生”，或者說人類將構建出一個數字孿生地球。
相信很多人都聽說過數字孿生。在過去幾年，這個詞的熱度不斷攀升，頻繁出現在各大峰會論壇的演講主題之中，備受行業內外的關注。而數字孿生這項神秘的高端技術由於其最開始只是應用於航天航空及國防軍工等領域，因此在我們民用領域就顯得有一定的陌生感。 那麼，這個聽起來神秘又玄乎的數字孿生究竟是什麼？它是誰提出來的？它又會給我們的生活帶來什麼樣的改變？
數字孿生的前世今生
數字孿生，顧名思義，就是“數字雙胞胎”，或者理解為物理實體在虛擬空間裡的數字鏡像。根據國際統一的定義，數字孿生是充分利用物理模型、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週期過程。
簡單來說，數字孿生就是在一個設備或系統的基礎上，創造一個數字版的“克隆體”。這個“數字克隆體”被創建在信息化平臺上，是虛擬的。與電腦的設計圖紙又不同，相比於設計圖紙，數字孿生體最大的特點在於，它是對實體對象的動態仿真。也就是說，數字孿生體是會“動”的，並且是實時的動態監測仿真。
數字孿生體“動”的依據，來自實體對象的物理設計模型、傳感器反饋的數據，以及運行的歷史數據。實體對象的實時狀態，還有外界環境條件，都會復現到“孿生體”身上。
數字孿生這一概念誕生在美國，時間是公元的2002年，由密歇根大學教授邁克爾·格里夫斯提出。邁克爾·格里夫斯教授在產品全生命週期管理課程上提出了“與物理產品等價的虛擬數字化表達”的概念：一個或一組特定裝置的數字複製品，能夠抽象表達真實裝置並可以此為基礎進行真實條件或模擬條件下的測試。該概念源於對裝置的信息和數據進行更清晰地表達的期望，希望能夠將所有的信息放在一起進行更高層次的分析。
而將這種理念付諸實踐的甚至是早於理念提出的美國國家航天局（NASA）的阿波羅項目，在該項目中，NASA 需要製造兩個完全一樣的空間飛行器，留在地球上的飛行器被稱為“孿生體”， 用來反映（或做鏡像）正在執行任務的空間飛行器的狀態。
在飛行準備期間，被稱為“孿生體”的空間飛行器被廣泛應用於訓練；在任務執行期間，利用該“孿生體”在地球上的精確仿太空模型中進行仿真試驗，並儘可能精確地反映和預測正在執行任務的空間飛行器的狀態，從而輔助太空軌道上的航天員在緊急情況下做出最正確的決策。從這個角度我們也可以看出，“孿生體”實際上是通過傳感器監測+仿真，實時反映對象的真實運行情況的樣機或模型。而區別於傳統意義的仿真在於，數字孿生不是簡單的仿真，而是真實物理空間實體或對象的“真實”複製，或者說鏡像。更重要的是這個數字化孿生體具有實時檢測、跟蹤反應真實物理實體的狀態。通俗的說就是真實物理實體的數字化雙胞胎。
揭秘“雷神山”背後
講到這裡，依舊會有人覺得數字孿生離我們的生活還是太遙遠了，其實不然。最近在紐約，微軟首席執行官薩蒂亞•納德拉描述了這些數字孿生的好處，他將此稱為最大的科技趨勢之一。
英國零售商瑪莎百貨越來越多地使用店內傳感器來創建其零售空間的數字孿生，通過使用這些數據模型來優化其商店的物理佈局，監控其凍肉冷藏庫的溫度，並密切關注結賬處的排隊情況。
而在2020年中國剛剛過去的疫情中，聞名世界的雷神山醫院之所有能以“神速”完美建成，其核心關鍵就是利用了數字孿生技術進行設計與建造。
中南建築設計院（CSADI）臨危受命，設計了武漢第二座“小湯山醫院”——雷神山醫院，中南建築設計院的建築信息建模（BIM）團隊為雷神山醫院創造了一個數字化的“孿生兄弟”。採用BIM技術建立雷神山醫院的數字孿生模型，根據項目需求，利用BIM技術指導和驗證設計，為設計建造提供了強有力的支撐。
數字孿生是一種超越現實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統的數字映射系統。
工業互聯網是絕對的第一大場景，比如機器安裝、產線安裝，建立一個生產環境的虛擬版本，整個環境都是要用數字化的方式來描述。這迎合的是工業互聯網的產業數字化大背景。
在該技術之下，工程師不僅能看到產品外部變化，更使內部零件動態的觀察成為可能。例如，通過數字3D模型，我們可以看到汽車在運行過程中發動機內部的每一個零部件、線路、各種接頭的每一次變化，從而可以對產品進行預防性維護，這也就可以避免類似波音737MAX8客機墜機帶來生命損毀的悲劇。
目前主流的西門子、GE、施耐德等廠商早已在使用這套技術來優化工業流程。
一直以來，有個“工業領域 1%的革命”說法：生產效率提升1%，成本減少300億。這可以通過GE公司的 245000美元的故事說起。
在GE的工廠裡，發電廠的汽輪機推力軸承改變了位置，使汽輪機的軸向位移從-0.29 mm變為-0.445mm。這個移動量等於單個睫毛的寬度，並且仍在安全的操作參數範圍內。但是，汽輪機要承受極端的溫度、壓力和作用力，即使微小的變化也可能造成巨大的損失。
但是在沒有干預的情況下，止推軸承將繼續移動，軸向位移繼續移動。等到工廠控制中心響起警報並發現偏差時，損壞已經造成：渦輪機必須脫機、零件將需要更換、電力生產數據將丟失。而電力生產商的總成本是 245000美元。
位於巴黎的GE 數字工業管理服務中心的工程師使用汽輪機的“數字孿生系統”觀察到了偏差，並進行了提前預測，確保巨大損失無從發生。
截至2018年，GE已經擁有120萬個數字孿生體，可以處理300000種不同類型的設備資產。此外，據Gartner稱：“到2021年，一半的大型工業公司將使用數字孿生，從而使這些組織的有效性提高10%。”
新生產要素的變革即將來到
隨著工業互聯網的應用推進，數字孿生被賦予了新的生命力，工業互聯網延伸了數字孿生的價值鏈條和生命週期，凸顯出數字孿生基於模型、數據、服務方面的優勢和能力，打通了數字孿生應用和迭代優化的現實路徑，正成為數字孿生的孵化床。
但對於一項技術而言，城市場景更加宏大，從工業走向城市，從城市走向生活的場景也是必然趨勢。據預測，到2022年，85％的物聯網平臺將使用某種數字孿生技術進行監控，部分城市將率先利用數字孿生技術進行智慧城市的管理。
在國內從業人員看來，目前在民用領域，數字孿生主要在地理信息這個行業發生催化作用，比如用無人機群為城市提供基於圖像掃描的城市數字模型，街道、社區、娛樂、商業等各功能模塊都將擁有數字模型。
這個在當前部分城市已經實現，深圳市從 2018 年 12 月開始就啟動了全市的虛擬城市環境數據採集工作，總共分一期和二期兩個階段，一期是從 2018 年 12 月開始，二期是從 2019 年 4 月份開始，預計將在今年年底完成相關工作。
這種模式下，數字化將進入電力線、變電站、汙水系統、供水和排水系統、城市應急系統、Wi-Fi網絡、高速公路、交通控制系統等所有看見或看不見的地方，而城市管理將更加輕鬆可控。
數字孿生代表了繼搜索和社交媒體之後的互聯網“第三波浪潮”，而不論是5G還是大數據、物聯網，或者智慧城市、智慧醫療、智慧農業、智慧工業等，真正要實現智慧的核心就是基於數字孿生技術的系統管理。而我在《數字孿生》一書中，也曾明確提出數字孿生技術是未來實體產業的基石，是一項產品全生命週期管理的顛覆性技術，不論是製造業、建築業，還是航空航天領域，包括醫療領域，都會因數字孿生技術而發生革命性的變化。
而今天不論是5G、人工智能、大數據、區塊鏈等技術，都只是一種生產資料的變化，讓人類社會的生產效率更高效。但數字孿生技術之所以會帶來革命性的變化，其核心原因在於其不是生產資料的變化，數字孿生技術是一場現代工業的新生產要素的革命。
