什么是數(shù)字孿生?為什么它對物聯(lián)網很重要

數(shù)字孿生是物理設備的虛擬副本，數(shù)據(jù)科學家和IT專業(yè)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(shù)字孿生還可以獲取實時物聯(lián)網數(shù)據(jù)，并應用人工智能和數(shù)據(jù)分析來優(yōu)化性能。

數(shù)字孿生技術已經超越了制造業(yè)，進入了物聯(lián)網、人工智能和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的能力，擁有數(shù)字等效物使數(shù)據(jù)科學家和其他IT專業(yè)人員能夠優(yōu)化部署以實現(xiàn)最高效率，并創(chuàng)建其他假設場景。

什么是數(shù)字孿生?

數(shù)字孿生是物理對象或系統(tǒng)的數(shù)字表示。數(shù)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(shù)字孿生，這進一步擴展了這個概念。

數(shù)字孿生的概念最早出現(xiàn)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(shù)字模擬。

但在Gartner將數(shù)字孿生列為2017年十大戰(zhàn)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(shù)十億事物將由數(shù)字孿生代表，這是一種物理事物或系統(tǒng)的動態(tài)軟件模型”。一年后，Gartner再次將數(shù)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(shù)字雙孿生將存在于數(shù)十億件事物中。”

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

數(shù)字孿生如何工作？

數(shù)字孿生最初是由專家構建，通常是數(shù)據(jù)科學或應用數(shù)學方面的專家。這些開發(fā)人員研究被模仿的物理對象或系統(tǒng)的物理基礎，并使用這些數(shù)據(jù)開發(fā)一個數(shù)學模型，在數(shù)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(xiàn)實世界的對應物收集數(shù)據(jù)。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(shù)字孿生可以是復雜或簡單的，用于構建和更新其的數(shù)據(jù)量將決定模擬物理對象的精確程度。如，以汽車數(shù)字孿生為例，只需要幾個輸入變量就可以計算里程。

數(shù)字孿生與模擬

術語模擬和數(shù)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(tǒng)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(shù)字孿生是基于真實設備上物聯(lián)網傳感器的輸入構建的，這意味著其復制了現(xiàn)實世界的系統(tǒng)，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(shù)字孿生提供了業(yè)務的各個部分，了解其已經使用的某些產品或系統(tǒng)現(xiàn)在是如何工作的。

數(shù)字孿生用例

在數(shù)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(fā)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(shù)字設計和測試。這些數(shù)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(shù)字孿生來測試設備的擬議修復是否有效。

數(shù)字孿生商業(yè)應用存在于許多領域：

正如Deloitte的案例研究所示，制造業(yè)是數(shù)字孿生技術推廣最深入的領域，工廠已經在使用數(shù)字孿生模型來模擬其流程。

汽車數(shù)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(yī)療保健是一個可以產生數(shù)字孿生的行業(yè)。創(chuàng)可貼大小的傳感器可以將健康信息發(fā)送回數(shù)字孿生，用于監(jiān)測和預測患者的健康狀況。

數(shù)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(yè)，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(shù)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(tǒng)或單元孿生可查看多個系統(tǒng)資產如何協(xié)同工作，例如模擬整個生產線。

流程孿生采用系統(tǒng)協(xié)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(shù)字孿生世界中很好地協(xié)同工作。

數(shù)字孿生與物聯(lián)網

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

數(shù)字孿生可以用來預測基于可變數(shù)據(jù)的不同結果。這類似于科幻電影中經常出現(xiàn)的運行模擬場景，即在數(shù)字環(huán)境中驗證可能的場景。通過額外的軟件和數(shù)據(jù)分析，數(shù)字孿生通?？梢詢?yōu)化物聯(lián)網部署，以實現(xiàn)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(shù)字孿生復制物理對象的次數(shù)越多，效率和其他好處就越有可能被發(fā)現(xiàn)。例如，在部署了高度儀器化設備的制造業(yè)中，數(shù)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(shù)字孿生與預測孿生

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

“數(shù)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(xiàn)實生活選項的傳感器讀數(shù)?！?/p>

Puri寫道，預測孿生“模擬了設備未來的狀態(tài)和行為”。“這是基于其他設備的歷史數(shù)據(jù)，可以模擬故障和其他需要注意的情況?！?/p>

作為其數(shù)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(shù)字進程孿生的想法:

Microsoft表示:“過程數(shù)字孿生是數(shù)字化轉型的下一個階段，將產品數(shù)字孿生的好處結合到整個工廠和供應鏈中?！卑灼鴱娬{了一些先進的制造場景，這些場景是產品數(shù)字孿生不支持的，但過程數(shù)字孿生會支持。

數(shù)字孿生的好處與風險

數(shù)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(shù)字孿生技術，預計將節(jié)省數(shù)百萬美元的維護成本。Siemens在其宣傳中表示，使用數(shù)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(shù)字孿生并不總是必要的，而且可能會不必要地增加復雜性?！皩τ谔囟ǖ臉I(yè)務問題，數(shù)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。”