一文講述什么是數(shù)字孿生？

2023-08-15作者：捷碼瀏覽：次

當(dāng)前世界正處于百年未有之大變局，數(shù)字經(jīng)濟(jì)在各國(guó)已成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)。數(shù)字經(jīng)濟(jì)也是我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必經(jīng)之路。

近些年，大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)的發(fā)展促使技術(shù)與國(guó)內(nèi)各產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步融合，從而推動(dòng)了各產(chǎn)業(yè)在智能化、數(shù)字化等方面加速發(fā)展。

在未來(lái)，所有產(chǎn)業(yè)都可能通過(guò)數(shù)字化手段優(yōu)化生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)流程，從而提高行業(yè)效益。

在各行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中，數(shù)字孿生是關(guān)鍵抓手。目前數(shù)字孿生理論體系已基本成熟，在工程建設(shè)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造等行業(yè)也有了較為深入的應(yīng)用。

究竟什么是數(shù)字孿生？本文將從數(shù)字孿生的發(fā)展背景、定義、特征等方面帶你了解數(shù)字孿生。

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一切從一個(gè)航天計(jì)劃說(shuō)起....

這個(gè)航天計(jì)劃就是著名的“阿波羅計(jì)劃”！

當(dāng)時(shí)美國(guó)國(guó)家航空航天局計(jì)劃構(gòu)建兩個(gè)相同的航天飛行器，其中一個(gè)飛到太空?qǐng)?zhí)行任務(wù)，另一個(gè)留在地球上用來(lái)反映太空中“兄弟”在任務(wù)中的工作狀態(tài)，從而幫忙處理工作中的緊急情況。這就是早期“孿生”概念的起源。

當(dāng)然，那個(gè)時(shí)候還是想放兩個(gè)實(shí)體的航天飛行器，并不是所謂的“數(shù)字孿生”。關(guān)于數(shù)字孿生（Digital Twin）的設(shè)想首次出現(xiàn)于Grieves教授在美國(guó)密歇根大學(xué)的產(chǎn)品生命周期管理課程上。正式提出是在2010年的NASA的技術(shù)報(bào)告里，NASA在報(bào)告中把數(shù)字孿生定義為“集成了多物理量、多尺度、多概率的系統(tǒng)或飛行器仿真過(guò)程”，用來(lái)進(jìn)行飛行器健康管理的應(yīng)用。后來(lái)，美國(guó)航空航天局和美國(guó)空軍漸漸發(fā)現(xiàn)數(shù)字孿生的價(jià)值，就將數(shù)字孿生越來(lái)越多用于航空航天領(lǐng)域，比如機(jī)身設(shè)計(jì)與維修、飛行器故障預(yù)測(cè)、飛行器能力評(píng)估等等。

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數(shù)字孿生定義

什么是數(shù)字孿生呢？

數(shù)字孿生是一種虛擬模型，主要用于精確反應(yīng)物理對(duì)象。數(shù)字孿生會(huì)給研究對(duì)象配備用于收集重要性參數(shù)的各種傳感器，傳感器會(huì)收集對(duì)象的性能方面的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至處理系統(tǒng)并應(yīng)用于數(shù)字副本。

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遠(yuǎn)眺捷碼數(shù)字孿生可視化—智慧工廠

比如，我們想要優(yōu)化工廠的生產(chǎn)過(guò)程并提高生產(chǎn)效率，我們可以創(chuàng)建一個(gè)數(shù)字孿生來(lái)模擬和監(jiān)控工廠的運(yùn)行情況。

首先，我們使用傳感器和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備來(lái)收集工廠中各個(gè)設(shè)備的數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)等。這些數(shù)據(jù)將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆破脚_(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。

然后，在云平臺(tái)上，我們使用數(shù)據(jù)分析和建模技術(shù)，將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為工廠的數(shù)字模型。這個(gè)數(shù)字模型是基于實(shí)際設(shè)備和工藝的虛擬表示，它反映了工廠的結(jié)構(gòu)、運(yùn)行規(guī)則和關(guān)聯(lián)關(guān)系。

最后，通過(guò)可視化界面，我們可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工廠的運(yùn)行狀態(tài)，并與數(shù)字模型進(jìn)行對(duì)比。如果發(fā)現(xiàn)任何異?；驖撛趩?wèn)題，我們可以立即采取相應(yīng)的措施，以避免生產(chǎn)中斷或質(zhì)量問(wèn)題。

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數(shù)字孿生特征

有人說(shuō)，數(shù)字孿生不就是元宇宙嗎？

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遠(yuǎn)眺捷碼元宇宙展廳

確實(shí)，兩者在虛擬化和模擬方面有相似之處，但卻是兩個(gè)不同的概念。

數(shù)字孿生主要用于模擬和監(jiān)控現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，它主要基于現(xiàn)實(shí)中的傳感器和數(shù)據(jù)，通過(guò)構(gòu)建實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行仿真、監(jiān)控和優(yōu)化，比如農(nóng)業(yè)、園區(qū)等等。

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遠(yuǎn)眺捷碼數(shù)字孿生可視化—智慧農(nóng)業(yè)

而元宇宙則是一個(gè)更加廣闊的概念，它是一個(gè)全息的、虛擬的、現(xiàn)實(shí)的世界。

類似我們常在影視劇里看到的平行世界，元宇宙相當(dāng)于一個(gè)存在的、虛擬的平行世界，人們可以以虛擬身份參與各種活動(dòng)，與其他人進(jìn)行交互，探索虛擬環(huán)境，甚至進(jìn)行商業(yè)交易。

元宇宙的概念更加注重人與虛擬世界的互動(dòng)和體驗(yàn)，以及虛擬環(huán)境的創(chuàng)造和拓展。而數(shù)字孿生有如下典型特征：

1、互操作性

在數(shù)字孿生中，數(shù)字空間與物理對(duì)象可以雙向映射，可以相互聯(lián)系和同步。

我們可以通過(guò)傳感器、監(jiān)控設(shè)備等方法，將物理對(duì)象的數(shù)據(jù)和狀態(tài)反映到數(shù)字空間中。反過(guò)來(lái)，我們也可以通過(guò)利用數(shù)字空間中的模型和仿真來(lái)指導(dǎo)和優(yōu)化物理對(duì)象的運(yùn)行。

2、實(shí)時(shí)性

數(shù)字孿生的實(shí)時(shí)性是指數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠以接近實(shí)時(shí)的方式反映和更新實(shí)際系統(tǒng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)。

通常情況下，數(shù)字孿生通過(guò)傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備來(lái)收集實(shí)際系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并將其傳輸?shù)綌?shù)字孿生系統(tǒng)中進(jìn)行處理和分析。數(shù)字孿生系統(tǒng)會(huì)使用這些數(shù)據(jù)來(lái)更新數(shù)字模型，并反映實(shí)際系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)。

實(shí)時(shí)性意味著數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更新和反饋幾乎是即時(shí)的。當(dāng)實(shí)際系統(tǒng)發(fā)生變化時(shí)，數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠快速捕捉這些變化，并實(shí)時(shí)更新數(shù)字模型。這樣，我們可以在數(shù)字孿生系統(tǒng)中看到實(shí)際系統(tǒng)的最新?tīng)顟B(tài)。

3、保真性

數(shù)字孿生中的物理實(shí)體和數(shù)字虛體是非常接近的。不僅是在幾何結(jié)構(gòu)的高度仿真，在狀態(tài)、時(shí)態(tài)、相態(tài)上也會(huì)仿真。數(shù)字孿生的仿真性根據(jù)不同的需要會(huì)不相同，例如工況場(chǎng)景中可能只要求描述虛體的物理性質(zhì)，并不會(huì)關(guān)注化學(xué)結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)。

目前，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)大面積在工業(yè)、制造業(yè)、智慧城市、醫(yī)療等領(lǐng)域落地應(yīng)用，未來(lái)也會(huì)在更多領(lǐng)域發(fā)揮其獨(dú)特作用。數(shù)字孿生技術(shù)本身具有深度分析、高效決策等特點(diǎn)，對(duì)推動(dòng)我國(guó)數(shù)字產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，具有重要意義。