如果您關(guān)注過與產(chǎn)品開發(fā)、預(yù)測(cè)分析或基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)相關(guān)的新聞，那么近年來您很可能聽說過“數(shù)字孿生”或“數(shù)字孿生建模”一詞。但究竟什么是數(shù)字孿生體？用最簡(jiǎn)單的術(shù)語(yǔ)來說，它是現(xiàn)實(shí)世界中存在的物理對(duì)象，設(shè)備或結(jié)構(gòu)的虛擬表示。
這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)還有更多內(nèi)容，我們將深入研究其在制造、醫(yī)療保健和供應(yīng)鏈管理等領(lǐng)域快速發(fā)展的用例的影響。但首先，重要的是要了解是什么導(dǎo)致了對(duì)數(shù)字孿生體開發(fā)以及當(dāng)今用例的廣泛興趣和投資。
數(shù)字孿生體自20世紀(jì)60年代以來就已經(jīng)存在，從概念上講，從2002年開始更廣泛地普及 - 直到最近，這一領(lǐng)域的創(chuàng)新才爆炸式增長(zhǎng)。隨著數(shù)字化能力在客戶體驗(yàn)和運(yùn)營(yíng)中變得越來越重要，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的洞察已成為推動(dòng)創(chuàng)新和價(jià)值創(chuàng)造的力量。
因此，數(shù)字孿生體開始優(yōu)化產(chǎn)品和流程的開發(fā)和性能。讓我們來探討一下如何做到這一點(diǎn)。
什么是數(shù)字孿生技術(shù)？
讓我們從數(shù)字孿生體定義開始。數(shù)字孿生是基于使用連接的傳感器收集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的虛擬模型。這些虛擬孿生體，有時(shí)被稱為，旨在反映現(xiàn)實(shí)世界的對(duì)象，機(jī)器和過程 - 使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和技術(shù)人員能夠模擬現(xiàn)實(shí)世界系統(tǒng)的物理屬性和性能。
數(shù)字孿生過程創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)字表示，該表示可以隨著物理版本隨時(shí)間的變化而更新，無(wú)論它是否受環(huán)境條件的影響或修復(fù)。為了捕獲這些變化，對(duì)象需要安裝物聯(lián)網(wǎng)傳感器，旨在捕獲和傳輸有關(guān)對(duì)象或設(shè)備的物理特征和性能的數(shù)據(jù)。
這些信息可以包括物體的形狀、能量使用情況、材料應(yīng)力水平、溫度或性能。然后，收集的信息被處理并用于創(chuàng)建或更新虛擬表示。
創(chuàng)建后，數(shù)字孿生體可用于運(yùn)行兩種類型的模擬：
基于當(dāng)前：可視化如果當(dāng)前條件被修改，物理對(duì)象將如何反應(yīng)。
面向未來：運(yùn)行預(yù)測(cè)模擬以顯示對(duì)未來?xiàng)l件的響應(yīng)。
數(shù)字孿生的種類有哪些？
總體而言，無(wú)論以何種類型進(jìn)行數(shù)字化表示，數(shù)字孿生體的創(chuàng)建方式（使用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和軟件）都相當(dāng)一致。
數(shù)字孿生體的復(fù)雜性可能很大，因?yàn)樗璧臄?shù)據(jù)量取決于虛擬表示的預(yù)期用途。通常，組織將創(chuàng)建數(shù)字孿生的初始原型，以確定如何最好地整合所需的所有數(shù)據(jù)。常用的數(shù)字孿生體有三種功能類型：
狀態(tài)數(shù)字孿生：用于監(jiān)測(cè)物理對(duì)象和設(shè)備的物理狀況
運(yùn)營(yíng)數(shù)字孿生：用于允許用戶根據(jù)鏈接的操作或工作流調(diào)整操作參數(shù)
模擬數(shù)字孿生：用于預(yù)測(cè)對(duì)象或設(shè)備將來如何響應(yīng)操作條件，這有助于預(yù)測(cè)性維護(hù)和產(chǎn)品開發(fā)
如何使用數(shù)字孿生技術(shù)？
由于數(shù)字孿生體設(shè)計(jì)有如此多的變體，因此也有許多方法可以對(duì)這些虛擬副本的設(shè)計(jì)和功能進(jìn)行分類。
例如，組織可能需要虛擬孿生的所有這些系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)：
離散數(shù)字孿生：用于可視化、監(jiān)控和分析單個(gè)設(shè)備
復(fù)合數(shù)字孿生體：由多個(gè)離散數(shù)字孿生體組成，用于表示具有多個(gè)組件的設(shè)備或進(jìn)程
組織的數(shù)字孿生 （DTO）：整個(gè)組織的組件和交互的高度復(fù)雜的表示
然后，對(duì)于這三種數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)中的任何一種，數(shù)據(jù)的使用方式都可以分為五類或兩個(gè)級(jí)別：
描述性孿生是對(duì)象或設(shè)備的虛擬表示，可以使用建筑信息建模 （BIM） 軟件的 3D 建模對(duì)其進(jìn)行編輯和分析。
信息孿生將數(shù)字孿生向前推進(jìn)了一步，并從感興趣對(duì)象或設(shè)備上的物聯(lián)網(wǎng)傳感器獲取物理和操作數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)更新虛擬副本以匹配其現(xiàn)實(shí)世界的對(duì)應(yīng)物。
預(yù)測(cè)孿生將用于創(chuàng)建信息孿生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與其他上下文數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)分析相結(jié)合。這允許建模和基于演示的仿真，可以識(shí)別或預(yù)測(cè)性能或結(jié)構(gòu)完整性問題。
綜合數(shù)字孿生使用更高級(jí)的建模來預(yù)測(cè)所呈現(xiàn)的對(duì)象或設(shè)備將如何響應(yīng)尚未發(fā)生的基于未來的場(chǎng)景。用于此類數(shù)字孿生的規(guī)范性分析可以為下一步（例如，維護(hù)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)）提供建議。
自主數(shù)字孿生還使用基于未來的模擬以及高級(jí)算法，做出人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)（AI / ML）驅(qū)動(dòng)的決策，以根據(jù)物體的過去性能或物理?xiàng)l件來響應(yīng)不斷變化的環(huán)境條件。
目前哪些行業(yè)使用數(shù)字孿生模型？
數(shù)字孿生技術(shù)可用于以多種方式創(chuàng)造業(yè)務(wù)價(jià)值。這完全取決于數(shù)據(jù)源的多樣性，功能類型（即離散，復(fù)合或DTO）以及所創(chuàng)建的虛擬表示的級(jí)別（即描述性，信息性，預(yù)測(cè)性，全面性或自主性）。
數(shù)字孿生技術(shù)可以適應(yīng)幾乎每個(gè)行業(yè)的組織，以及當(dāng)今使用數(shù)字孿生體的一些行業(yè)，包括Digi為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品開發(fā)，網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)化，預(yù)測(cè)分析和工業(yè)4.0的未來提供技術(shù)解決方案的多個(gè)垂直空間：
制造業(yè)： 該技術(shù)可用于可視化、監(jiān)控和改進(jìn)工廠車間的制造過程。借助全面或自主的數(shù)字孿生體，組織甚至可以確定避免未來資產(chǎn)損失和收入損失的方法。
醫(yī)療：目前，數(shù)字孿生體最常用于三種類型的醫(yī)療保健用例：
模擬和測(cè)試不同的組織和護(hù)理服務(wù)模式
侵入性外科手術(shù)培訓(xùn)
基因組，生活方式和生理建模，以開發(fā)個(gè)性化藥物。
航空航天：數(shù)字孿生實(shí)際上首先用于航空航天工程，現(xiàn)在該領(lǐng)域的工程師可以更好地使用預(yù)測(cè)分析來測(cè)試組件和零件的故障，而不會(huì)危及昂貴的設(shè)備或安全性。
汽車：除了改善汽車行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)制造外，數(shù)字孿生還被用于幫助開發(fā)自動(dòng)駕駛汽車。自動(dòng)駕駛汽車需要物聯(lián)網(wǎng)傳感器來收集有關(guān)汽車及其環(huán)境狀況的數(shù)據(jù)。虛擬副本可用于在各種場(chǎng)景中測(cè)試車輛的功能。
建筑和工程：建筑物的數(shù)字孿生體可用于設(shè)計(jì)更適合其環(huán)境的建筑結(jié)構(gòu)，并監(jiān)控現(xiàn)有建筑物的材料故障，從而降低倒塌風(fēng)險(xiǎn)并支持預(yù)測(cè)性維護(hù)。
數(shù)字孿生技術(shù)的一般用例
在實(shí)施特定于行業(yè)的用例之前，開發(fā)人員和數(shù)據(jù)科學(xué)家需要共同努力，以確定需要表示哪些組件。同一個(gè)現(xiàn)實(shí)世界的對(duì)象可能需要截然不同的數(shù)據(jù)輸入，具體取決于數(shù)字孿生模型的最終目標(biāo)：
材料或組件
整個(gè)資產(chǎn)或產(chǎn)品
一個(gè)系統(tǒng)
一個(gè)過程
讓我們探討數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助加速和改進(jìn)的三大類用例。
產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計(jì)
組織在產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計(jì)方面投入巨資以保持競(jìng)爭(zhēng)力，特別是在汽車，制藥和制造等行業(yè)。此外，公司一直在尋找在不犧牲質(zhì)量和產(chǎn)品市場(chǎng)契合度的情況下更快地開發(fā)產(chǎn)品的方法。
數(shù)字孿生體可以幫助改進(jìn)產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)能夠：
使用虛擬仿真進(jìn)行壓力測(cè)試材料
將物理原型的早期反饋整合到虛擬表示中
一次創(chuàng)建多個(gè)產(chǎn)品版本以測(cè)試和收集反饋
流程和運(yùn)營(yíng)優(yōu)化
當(dāng)今的組織還希望優(yōu)化其內(nèi)部流程和運(yùn)營(yíng) - 無(wú)論是在工廠車間，供應(yīng)鏈還是企業(yè)資源規(guī)劃。創(chuàng)建數(shù)字孿生體可以幫助公司更好地：
分析生產(chǎn)結(jié)果并規(guī)劃提高生產(chǎn)力和效率的方法
識(shí)別浪費(fèi)和浪費(fèi)時(shí)間的領(lǐng)域，并測(cè)試如何減少浪費(fèi)和浪費(fèi)時(shí)間的模擬
實(shí)施預(yù)測(cè)性維護(hù)或自主操作，保護(hù)貴重設(shè)備、系統(tǒng)或流程免受代價(jià)高昂的損壞或停機(jī)
環(huán)境監(jiān)測(cè)與災(zāi)害應(yīng)對(duì)
通過開發(fā)制造、農(nóng)業(yè)或供應(yīng)鏈流程的數(shù)字孿生體，當(dāng)環(huán)境條件或設(shè)備故障使其現(xiàn)場(chǎng)和員工暴露于不安全條件或使當(dāng)?shù)丨h(huán)境面臨風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，組織可以更快地做出響應(yīng)。使用更復(fù)雜的數(shù)字孿生體啟用的警報(bào)還可以幫助現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)理和員工快速有效地做出響應(yīng)，以降低災(zāi)難發(fā)生時(shí)對(duì)公共衛(wèi)生和環(huán)境安全的風(fēng)險(xiǎn)。
數(shù)字孿生技術(shù)的價(jià)值是什么？
預(yù)計(jì)未來幾年，全球數(shù)字孿生技術(shù)市場(chǎng)將繼續(xù)呈爆炸式增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)從2022年到2027年的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）為31.7%。這是因?yàn)槭褂脭?shù)字孿生模型不僅可以提高生產(chǎn)力和效率，還可以幫助加速創(chuàng)新。
通過數(shù)字孿生提高生產(chǎn)力和效率
在無(wú)窮無(wú)盡的場(chǎng)景中，創(chuàng)建數(shù)字孿生體可以提供洞察力和價(jià)值。隨著人工智能建模和支持物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)收集的進(jìn)步，公司可以更好地預(yù)測(cè)產(chǎn)品、設(shè)備和流程將如何對(duì)新的環(huán)境條件或壓力源做出反應(yīng)。
公司無(wú)需創(chuàng)建昂貴的原型來測(cè)試或在事件發(fā)生后做出反應(yīng)，而是可以探索虛擬環(huán)境中的潛在影響。這導(dǎo)致以更低的成本實(shí)現(xiàn)價(jià)值的速度 - 這正是近年來數(shù)字孿生快速增長(zhǎng)的原因。
使用數(shù)字孿生加速創(chuàng)新
盡管數(shù)字孿生體被用來代表已經(jīng)存在的東西，但實(shí)際上，它們是實(shí)現(xiàn)尚未實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新的最佳途徑之一。創(chuàng)建數(shù)字孿生體使產(chǎn)品設(shè)計(jì)師、開發(fā)人員、工程師和數(shù)據(jù)科學(xué)家能夠協(xié)作并設(shè)想材料、產(chǎn)品或流程的未來版本，同時(shí)還可以模擬各種場(chǎng)景來評(píng)估性能。
因此，數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助組織確定采取哪些途徑來實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，并以更少的時(shí)間、精力和成本更快地交付價(jià)值。
數(shù)字孿生與智慧城市的未來
如今，各行各業(yè)的公司都投入巨資尋找綠色技術(shù)解決方案，以減少對(duì)環(huán)境的影響，提高生產(chǎn)力，同時(shí)降低運(yùn)營(yíng)成本。公司需要支持物聯(lián)網(wǎng)的解決方案來支持許多最有效的可持續(xù)發(fā)展解決方案，這些解決方案可以幫助他們減少對(duì)環(huán)境的影響，并在災(zāi)難發(fā)生時(shí)避免或做出響應(yīng)。
