數字孿生是物理設備的虛擬副本，數據科學家和IT專業人員可以在實際設備構建和部署之前使用其來運行模擬。數字孿生還可以獲取實時物聯網數據，并應用人工智能和數據分析來優化性能。

數字孿生技術已經超越了制造業，進入了物聯網、人工智能和數據分析的融合世界。

隨著越來越復雜的“事物”相互連接，并具有生成數據的能力，擁有數字等效物使數據科學家和其他IT專業人員能夠優化部署以實現最高效率，并創建其他假設場景。

什么是數字孿生?

數字孿生是物理對象或系統的數字表示。數字孿生背后的技術已經擴展到建筑、工廠甚至城市，一些人認為甚至人和流程也可以擁有數字孿生，這進一步擴展了這個概念。

數字孿生的概念最早出現在美國宇航局:早期太空艙的全尺寸模型，在地面上用于鏡像和診斷軌道上的問題，最終讓位于全數字模擬。

但在Gartner將數字孿生列為2017年十大戰略技術趨勢之一后，這個詞才真正流行起來，并表示在三到五年內，“數十億事物將由數字孿生代表，這是一種物理事物或系統的動態軟件模型”。一年后，Gartner再次將數字孿生列為最主要的趨勢，并表示“到2020年，預計將有210億個連接的傳感器和端點，且在不久的將來，數字雙孿生將存在于數十億件事物中。”

從本質上講，數字孿生是一種計算機程序，其將關于物理對象或系統的真實數據作為輸入，并輸出預測或模擬物理對象或系統將如何受到這些輸入的影響。

數字孿生如何工作?

數字孿生最初是由專家構建，通常是數據科學或應用數學方面的專家。這些開發人員研究被模仿的物理對象或系統的物理基礎，并使用這些數據開發一個數學模型，在數字空間中模擬真實世界的原始模型。

孿生的構造使其可以接收來自傳感器的輸入，這些傳感器從現實世界的對應物收集數據。這允許孿生實時模擬物理對象，在此過程中提供對性能和潛在問題的洞察。孿生也可以基于其物理對應物的原型進行設計，在這種情況下，孿生可以在產品改進時提供反饋;在構建任何物理版本之前，孿生甚至可以作為原型本身。

數字孿生可以是復雜或簡單的，用于構建和更新其的數據量將決定模擬物理對象的精確程度。如，以汽車數字孿生為例，只需要幾個輸入變量就可以計算里程。

數字孿生與模擬

術語模擬和數字孿生經常互換使用，但它們是不同的東西。模擬是用CAD系統或類似的平臺設計的，可以進行模擬，但可能不會與真實的物理對象進行一對一的模擬。相比之下，數字孿生是基于真實設備上物聯網傳感器的輸入構建的，這意味著其復制了現實世界的系統，并隨著時間的推移而改變。模擬往往用于產品生命周期的設計階段，試圖預測未來產品的工作方式，而數字孿生提供了業務的各個部分，了解其已經使用的某些產品或系統現在是如何工作的。

數字孿生用例

在數字孿生示例中，汽車和貨船提供了一種潛在用例的感覺。飛機發動機、火車、海上石油平臺和渦輪機等物體可以在實際生產之前進行數字設計和測試。這些數字孿生也可以用來幫助維護操作。例如，技術人員可以在應用修復之前使用數字孿生來測試設備的擬議修復是否有效。

數字孿生商業應用存在于許多領域：

• 正如Deloitte的案例研究所示，制造業是數字孿生技術推廣最深入的領域，工廠已經在使用數字孿生模型來模擬其流程。
• 汽車數字孿生之所以成為可能，是因為汽車已經安裝了遙測傳感器，但隨著越來越多的自動駕駛汽車上路，改進這項技術將變得更加重要。
• 醫療保健是一個可以產生數字孿生的行業。創可貼大小的傳感器可以將健康信息發送回數字孿生，用于監測和預測患者的健康狀況。

數字孿生有哪些類型?

IBM提供的分類方案不是基于特定的行業，而是基于孿生對象的復雜性。這提供了一種有用的方法來考慮特定用例中的需求，并讓我們了解數字孿生可以做什么:

• 組件或部件孿生模擬功能組件的最小示例。
• 資產孿生模擬兩個或多個組件一起工作，并可研究其之間的交互。
• 系統或單元孿生可查看多個系統資產如何協同工作，例如模擬整個生產線。
• 流程孿生采用系統協同工作的絕對頂層視圖，可了解整個工廠的運行方式。

值得注意的是，向組合中添加更多組件會增加復雜性。特別是，混合和匹配來自不同制造商的組件可能會很困難，因為這需要每個人的知識產權才能在數字孿生世界中很好地協同工作。

數字孿生與物聯網

顯然，物聯網傳感器的激增是數字孿生成為可能的部分原因。隨著物聯網設備的不斷完善，數字孿生場景可以包含更小、更簡單的對象，從而為企業帶來更多好處。

數字孿生可以用來預測基于可變數據的不同結果。這類似于科幻電影中經常出現的運行模擬場景，即在數字環境中驗證可能的場景。通過額外的軟件和數據分析，數字孿生通常可以優化物聯網部署，以實現最大效率，并幫助設計師在物理部署之前確定事物應該去哪里或如何運作。

數字孿生復制物理對象的次數越多，效率和其他好處就越有可能被發現。例如，在部署了高度儀器化設備的制造業中，數字孿生可以模擬設備隨著時間的推移的性能，這有助于預測未來的性能和可能的故障。

數字孿生與預測孿生

Network World撰稿人Deepak Puri最近概述了一個Oracle數字孿生工具示例，該工具為用戶提供兩種選擇——數字孿生和預測孿生。

“數字孿生”可以包括設備的描述、3D渲染和設備中所有傳感器的詳細信息。其不斷生成模擬現實生活選項的傳感器讀數。”

Puri寫道，預測孿生“模擬了設備未來的狀態和行為”。“這是基于其他設備的歷史數據，可以模擬故障和其他需要注意的情況。”

作為其數字孿生計劃的一部分，Microsoft正在將這一概念應用到物理產品之外的流程中。在一份白皮書中，Microsoft提出了數字進程孿生的想法:

Microsoft表示:“過程數字孿生是數字化轉型的下一個階段，將產品數字孿生的好處結合到整個工廠和供應鏈中。”白皮書強調了一些先進的制造場景，這些場景是產品數字孿生不支持的，但過程數字孿生會支持。

數字孿生的好處與風險

數字孿生可以實時查看物理資產的情況，從而從根本上減輕維護負擔。Chevron正在為其油田和煉油廠推出數字孿生技術，預計將節省數百萬美元的維護成本。Siemens在其宣傳中表示，使用數字孿生對尚未制造出來的產品進行建模和原型設計，可以減少產品缺陷，并縮短上市時間。

但請記住，Gartner警告到，數字孿生并不總是必要的，而且可能會不必要地增加復雜性。“對于特定的業務問題，數字孿生可能是一種過度的技術。還有成本、安全、隱私和集成方面的擔憂。”