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數字孿生有什麼優點(什麼是數字孿生)

2023-05-18 06:18:04

今天小編要給大家介紹的,是一個聽起來就很高大上的概念——數字孿生

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。

究竟什麼是數字孿生?它是誰提出來的?它會給我們的生活帶來什麼樣的改變?

帶著這些問題,我們來看今天這篇文章——

什麼是數字孿生

數字孿生,英文名叫Digital Twin(數字雙胞胎),也被稱為數字映射、數字鏡像。

它的官方定義非常複雜,是這麼說的:

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周期過程。

看暈了吧?其實,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「克隆體」,也被稱為「數字孿生體」。它被創建在信息化平臺上,是虛擬的。

也許你會說,這不就是電腦上的設計圖紙嘛?CAD搞搞不就有了?

其實不然。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(姑且就稱為「本體」吧)的動態仿真。也就是說,數字孿生體是會「動」的。

而且,數字孿生體不是隨便亂「動」。它「動」的依據,來自本體的物理設計模型,還有本體上面傳感器反饋的數據,以及本體運行的歷史數據。

說白了,本體的實時狀態,還有外界環境條件,都會復現到「孿生體」身上。

如果需要做系統設計改動,或者想要知道系統在特殊外部條件下的反應,工程師們可以在孿生體上進行「實驗」。這樣一來,既避免了對本體的影響,也可以提高效率、節約成本。

除了「會動」之外,理解數字孿生還需要記住三個關鍵詞,分別是「全生命周期」「實時/準實時」「雙向」

數字孿生是源自工業界的概念。在工業製造領域,有一個詞叫做「產品生命周期管理(PLM)」。相信很多人都聽說過。

全生命周期,是指數字孿生可以貫穿產品包括設計、開發、製造、服務、維護乃至報廢回收的整個周期。它並不僅限於幫助企業把產品更好地造出來,還包括幫助用戶更好地使用產品。

而實時/準實時,是指本體和孿生體之間,可以建立全面的實時或準實時聯繫。兩者並不是完全獨立的,映射關係也具備一定的實時性。

雙向,是指本體和孿生體之間的數據流動可以是雙向的。並不是只能本體向孿生體輸出數據,孿生體也可以向本體反饋信息。企業可以根據孿生體反饋的信息,對本體採取進一步的行動和幹預。

數字孿生的起源

說到「數字孿生」這個概念的發明者,行業裡並沒有明確的說法。

很多人認為,數字孿生是美國密西根大學教授Michael Grieves博士於2002年提出的。

Michael Grieves博士

但這種說法並沒有書面的文獻或資料可以支撐。

Michael Grieves博士在2014年發布的文章中,曾經「追溯」自己曾經在2002年密西根大學PLM中心一次演講中,提及了類似數字孿生的相關概念。他還「追溯」自己曾經在2003年的一次高管培訓上,提出了「物理產品的數字等同體或數字孿生體概念」。

然而,這些都沒有確鑿的文獻或影像資料證據。

真正有據可查的「數字孿生」概念提出者,是美國空軍研究實驗室(AFRL,Air Force Research Laboratory)

AFRL徽標

2011年3月,美國空軍研究實驗室結構力學部門的Pamela A. Kobryn和Eric J. Tuegel,做了一次演講,題目是「Condition-based Maintenance Plus Structural Integrity (CBM SI) & the Airframe Digital Twin(基於狀態的維護 結構完整性&戰鬥機機體數字孿生)」,首次明確提到了數字孿生。

當時,AFRL希望實現戰鬥機維護工作的數位化,而數字孿生是他們想出來的創新方法。

當美國空軍意識到數字孿生具有很強實用意義的同時,另一家企業也對數字孿生產生了濃厚的興趣,它就是美國通用電氣公司(GE)

美國通用電氣公司(GE)

美國通用電氣公司在為美國國防部提供F-35聯合攻擊機解決方案的時候,發現了數字孿生體的價值。

不知道大家是否還記得小棗君之前那篇介紹工業4.0的文章?是的,美國通用電氣公司,就是美國先進位造戰略(美國版的工業4.0)的主要推手。

當時的美國通用,一直在致力於研究工業數位化,以及如何構建工業網際網路體系。顯然,數字孿生對工業4.0非常有用,可以說是如魚得水。

再後來,德國西門子(德國工業4.0的代表企業)也跟著擁抱了數字孿生,將其奉為至寶。

2015年左右,中國也開始跟進。當時包括工業4.0研究院在內的多家國內研究機構和企業,紛紛啟動了數字孿生相關的研究課題。

從那之後,數字孿生這個概念,就開始風靡網際網路和產業界,直至今日。

數字孿生的價值

只是建了一個數字孿生體,憑什麼說它會影響第四次工業革命的發展?它到底能給傳統產業帶來哪些好處?

我們通過案例來解釋說明一下。

工業製造

數字孿生起源於工業製造領域。工業製造也是數字孿生的主要戰場。

生產流程數字孿生模型(圖片來自德勤大學出版社)

前面我們介紹數字孿生概念的時候,其實已經提到了這塊的內容。

在產品研發的過程中,數字孿生可以虛擬構建產品數位化模型,對其進行仿真測試和驗證。生產製造時,可以模擬設備的運轉,還有參數調整帶來的變化。

數字孿生能夠有效提升產品的可靠性和可用性,同時降低產品研發和製造風險。

維護階段,數字孿生也能發揮重要作用。

正如前文所說,美國空軍提出數字孿生,就是為了幫助更好地維護戰鬥機。

採用數字孿生技術,通過對運行數據進行連續採集和智能分析,可以預測維護工作的最佳時間點,也可以提供維護周期的參考依據。數字孿生體也可以提供故障點和故障概率的參考。

數字孿生給工業製造帶來了顯而易見的效率提升和成本下降,使得幾乎所有的工業巨頭趨之若鶩。

以美國通用公司為例。他們號稱自己已經為每個引擎、每個渦輪、每臺核磁共振創造了一個數字孿生體(截至2018年,GE已經擁有120萬個數字孿生體)。

圖片來自GE官網

通過這些擬真的數位化模型,工程師們可以在虛擬空間調試、實驗,能夠讓機器的運行效果達到最佳。

國內的很多工業科技企業也在數字孿生技術上有所布局,其中包括樹根互聯、研華科技、軟通動力等。

智慧城市

除了工業製造之外,數字孿生和5G、智慧城市也有非常密切的關係。

我們知道,5G將開啟「萬物互聯」的時代,它使得人類的連接技術到了前所未有的高度。

未來,在5G的支持下,雲和端之間可以建立更緊密的連接。這也就意味著,更多的數據將被採集併集中在一起。

這些數據,可以幫助構建更強大的數字孿生體。例如,一個數字孿生城市。

如今,我們的城市布滿了各種各樣的傳感器、攝像頭。藉助包括5G在內的物聯網技術,這些終端採集的數據可以更快地被提取出來。

在數字孿生城市中,基礎設施(水、電、氣、交通等)的運行狀態,市政資源(警力、醫療、消防等)的調配情況,都會通過傳感器、攝像頭、數位化子系統採集出來,並通過包括5G在內的物聯網技術傳遞到雲端。

城市的管理者,基於這些數據,以及城市模型,構建數字孿生體,從而更高效地管理城市。

相比於工業製造的「產品生命周期」,城市的「生命周期」更長,數字孿生帶來的回報更大。當然,城市數字孿生的部署難度也更大。

事實上,印度海德拉巴、新加坡,還有我們中國的深圳、雄安,都已經在做這方面的摸索和嘗試。大量的投資,正在湧向「智慧城市 數字孿生」的應用場景。

Virtual Singapore(虛擬新加坡)計劃

阿里的「城市大腦」、「數字平行世界」,還有科大訊飛的「訊飛超腦」,都涉及到智慧城市和數字孿生的結合。

基建工程

基建工程也是數字孿生的一個重要應用領域。尤其是對中國這個「基建狂魔」來說,引入數字孿生意義更加重大。

我們在修建高速公路、橋梁等基礎設施前,完成對工程的數位化建模,然後在虛擬的數字空間對工程進行仿真和模擬,評估工程的結構和承受能力,還可以導入流量數據,評估工程是否可以滿足投入使用後的需求。

在工程交付之後,還可以在維護階段評估工程是否可以承擔特殊情況的壓力。以及監測可能出現的事故隱患。

除了上述領域之外,包括醫療、物流、環保等很多場景都適合採用數字孿生技術,應用場景非常廣闊。

結 語

總而言之,數字孿生是一項非常有潛力的前沿技術,會給企業帶來豐厚的價值回報。

也正因為如此,很多投資機構趁機熱炒數字孿生的概念,也有很多企業迫不及待想要擁抱數字孿生。

根據全球知名諮詢公司Gartner2019年初的調查,部署物聯網的企業和組織中,已有13%應用數字孿生,62%的組織正在準備使用數字孿生。

Gartner還將數字孿生列為2019年十大戰略性技術趨勢。

但是,我們還是應該理性看待數字孿生

擁抱數字孿生,既需要深厚的技術沉澱,也需要巨大的資金投入,還需要管理水平和員工技能達到相應的層次。

目前這個階段,國內大部分企業都不具備這個條件。如果盲目跟風、倉促上馬,投資很可能會血本無歸。

相對來說,潛心研究、客觀評估、謹慎投入,才是打開數字孿生世界的正確姿勢

好啦,今天的內容就到這裡,感謝大家的耐心閱讀,我們下期再見!

參考文獻:

1、《工業4.0與數字孿生》,德勤

2、《數字孿生體是誰提出的?》,工業4.0研究院

3、《數字孿生:為城市和你創造一個虛擬副本》,陳龍

4、《數字孿生:打造生力產品,重塑客戶體驗》,埃森哲

來源:鮮棗課堂

編輯:米老貓

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