摘要

Digital Twin最近幾年比較火，被Gartner連續(xù)三年評為熱門行業(yè)。借助這篇文章，我從Digital Twin的三個方面（由來、組成要素和功能簡述）談談我對數(shù)字孿生的初步認識。

由來

“Digital Twin”的中文名是“數(shù)字孿生”，最早于2011年3月被美國空軍研究實驗室（AFRL，Air Force Research Laboratory）在一次演講中提出。同時，美國國家航空航天局（NASA）開始關(guān)注數(shù)字孿生。美國國防部與美國通用電氣將數(shù)字孿生用到于工業(yè)數(shù)字化，嘗試構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系。

AFRL把數(shù)字孿生作為一個創(chuàng)新工具，構(gòu)建飛機維護數(shù)字化，解決飛機維護問題。數(shù)字孿生產(chǎn)生初期的核心價值并不是簡單的仿真功能。要更好認識數(shù)字孿生，先了解下數(shù)字孿生的四要素。

四要素

01.模型

雖然仿真模型不是數(shù)字孿生的全部，但卻是數(shù)字孿生的基礎和出發(fā)點。在真實世界，物體是通過人類的感知器官被識別的，但是計算機并沒有人類的感知能力。需要通過數(shù)字化建模，建立真實世界物體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、元數(shù)據(jù)、功能模型和關(guān)鍵變量，以幫助計算機“認識”真實世界的對象。同樣，計算機系統(tǒng)存儲的字符型數(shù)據(jù)也難以被人類直觀地認識。人類和計算機之間需要借助虛擬仿真的模型，以建立對真實世界和數(shù)據(jù)世界的共同認知。

02.數(shù)據(jù)

模型好比是建筑的框架結(jié)構(gòu)。基于模型，計算機能夠識別出該建筑是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、框架筒體結(jié)構(gòu)或是筒體結(jié)構(gòu)，能夠?qū)φ鎸嵤澜绲膶ο筮M行分類。相同的分類里面存在不同的對象，好比基于同樣的結(jié)構(gòu)修建完成的建筑，每棟建筑都是獨一無二的。因為，不同的建筑在位置、空間、大小等方面的數(shù)據(jù)都不會完全相同。需要通過數(shù)據(jù)，進一步幫助計算機“認識”真實世界的對象。

模型加上數(shù)據(jù)就構(gòu)成了數(shù)字世界的一個數(shù)字化對象。這個對象有外在的表現(xiàn)形式——3D模型，也有內(nèi)在的信息——數(shù)據(jù)。

根據(jù)不同的來源，數(shù)據(jù)可以被分為來源于物體自身的數(shù)據(jù)和來源于相關(guān)物體的數(shù)據(jù)。物體自身的數(shù)據(jù)是直接依附于該物體的數(shù)據(jù)，比如長寬高、溫濕度、運行狀態(tài)、告警數(shù)據(jù)。相關(guān)物體的數(shù)據(jù)是間接數(shù)據(jù)，指直接依附于由關(guān)系物體的數(shù)據(jù)，比如天氣數(shù)據(jù)、上下游的供應鏈數(shù)據(jù)。

根據(jù)不同的變化頻率，數(shù)據(jù)可以被分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)是不會隨時變化的數(shù)據(jù)，比如建筑的位置、高度數(shù)據(jù)，可以由人工初始定義。動態(tài)數(shù)據(jù)是可能隨時變化的數(shù)據(jù)，比如溫度、濕度、壓力、運行狀態(tài)，需要不斷地獲取最新的數(shù)據(jù)，可以通過傳感器或人工定時獲取。

03.映射

要在數(shù)字世界里面模擬真實世界，就需要建立數(shù)字對象與真實對象的映射關(guān)系。數(shù)字化對象與真實對象的映射關(guān)系是一對一的，并且是唯一的一對一。有了模型、數(shù)據(jù)，并且與真實對象映射之后，就為真實世界建立起了一個一模一樣的數(shù)字世界。用戶可以在數(shù)字世界里面看見真實世界的對象，包括一模一樣的外觀、一模一樣的空間位置分布、更加顯而易見的屬性信息和狀態(tài)信息。

04.接口

通過接口，數(shù)字世界可以將模型、數(shù)據(jù)等內(nèi)容開放給外部系統(tǒng)，也可以獲取外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)數(shù)字世界系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

功能

數(shù)字世界被構(gòu)建起來后，人們可以利用算術(shù)模型、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)手段，基于海量的真實世界產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)進行分析和試驗，以實現(xiàn)對真實世界未來的預測，或?qū)v史進行再現(xiàn)。

結(jié)論

數(shù)字孿生的概念被正式提出已有8年時間，已在智慧城市、智慧樓宇、智慧校園、智慧醫(yī)院智慧倉庫、智慧高鐵、智慧消防和智慧港口等方面開始應用。它可以幫助人們在計算機系統(tǒng)里呈現(xiàn)一模一樣真實世界，改變?nèi)藗冋J識和管理世界的方式，甚至輔助人類突破真實世界的束縛，進行前所未有的探索和試驗。數(shù)字孿生是真實世界物理對象的數(shù)字化形態(tài)。

注釋說明：

注1：來源于工業(yè)4.0研究院分析

參考文獻：

1)“數(shù)字孿生體（Digital Twin）是誰提出的？”http://www.360doc.com/content/18/0702/21/22368478\_767201704.shtml

2)?Gartner,“china_summary_translation_ex_368081”,“magic_quadrant_for_industria_337297”