【锐眼看市】
据Gartner统计，目前全球部署物联网的企业和组织中已有16%应用数字孪生，62%的组织正在准备使用数字孪生；同时Gartner预测，明年全球将有超六成的大型工业企业使用数字孪生，从而使这些企业的效率提高10%。
(资料图)
张锐
数字时代大背景下，数实融合发展不断深入，数字孪生作为产业数字化核心技术之一越来越受到关注。在日前举行的2022腾讯全球数字生态大会上，腾讯发布了《腾讯数字孪生云白皮书》（以下简称“白皮书”），并向业内首次发布了数字孪生云平台。白皮书显示，数字孪生已成为科技战略和产业转型的关键抓手，在社会经济的许多领域尤其工业生产行业将发挥极其强大的赋能作用。
“数字孪生”一词听上去虽有点高大上，但其实很接地气，比如当我们听到“双胞胎”、“孪生兄弟”抑或“孪生姐妹”的词语时，眼前马上会浮现两个或三个以上长得完全或基本一样的人物，“数字孪生”也是这个理，只不过这里的“双胞胎”是数字双胞胎。按照美国航空航天局（NASA）给出的最权威解释，数字孪生是指充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多尺度的仿真过程，它作为虚拟空间中对实体产品的镜像，反映了相对应物理实体产品的全生命周期过程。说得通俗些，数字孪生就是将现实世界的物理体或者系统以及流程等复制到虚拟空间，生成一个“克隆体”，二者因此不同于物理世界中的“双胞胎”存在于同一时空维度，数字孪生中的双胞胎分列于两个平行世界。
既然数字双胞胎中有一个是“克隆体”，那么很多人可能就认为数字孪生就是日常生活中大家可以随手拈来的拍照留影，或者再高深一点就是人们能够理解的仿真模拟技术。其实不然。数字孪生除实时与准时创建与物理实体等价的“克隆体”外，更重要的是它还会“动”，即根据传感现实数据、历史数据以及物理本体周边场景数据进行仿真分析，为物理实体的后续运行产生和输出改进与优化方案，并辐射到物理实体的全生命周期过程，因此，双向性即本体向孪生体输出数据和建成模型，同时孪生体向本体反馈信息和输出优解是数字孪生的核心特征，数字孪生与仅能对物理目标进行机械化与单向化投射的拍照与仿真技术由此鲜明区别开来，同时也由此看出，数字孪生可以支持与引导人们穿越虚实界墙，在物理主体与数字模型之间自由交互与行走，实现现实世界与虚拟世界的彼此交融。
当然，数字孪生中的确有仿真技术的作用，但后者只能是功能角色之一，围绕在数字孪生周围的还有VR和AR（虚拟现实与增强现实）、大数据、传感器、物联网（IoT）以及人工智能等强大技术矩阵，而且缺一不可，比如没有物联网技术，数字孪生就不可能实现两个世界端与端的链接，而失去传感器，数据就只能孤立存在于现实物体，更谈不上虚拟世界的信息反馈，同样，离开了人工智能，数字模型就等于失去了“大脑”，数字孪生只能成为仅有躯壳的“胚胎”。当然，在这一技术方阵中，数字孪生也犹如可以点火的引擎，带动各个技术细胞次序活跃与协同运转。
全球范围内最先使用数字孪生的是美国国家航空航天局（NASA）的阿波罗项目，该计划构建了两个相同的航天飞行器，其中一个发射到太空执行任务，另一个在地球上用于反映太空中航天器在任务期间的工作状态，辅助工程师分析处理太空中出现的紧急事件。其中地面的航天飞行器通过乘员、座舱和任务控制台与多台计算机的模拟构建而成。此举对作为NASA供应商的工业生产厂家触动与启发很大，尤其是随着最近几年发达国家先后提出工业4.0、智能制造以及工业互联网战略，工业制造领域于是成为了数字孪生最为活跃的战场。
对于企业来说，往往一项新的设备在首次投入使用时会存在风险，比如操作不当导致关键零部件或者整套设备损坏等，但有了数字孪生，企业就不需要进行不确定性实地风险测试，实体生产过程都会在有备无患的状态启动与展开。另外，赛博空间（计算机以及计算机网络里的虚拟现实）的数据模型一般与实体物理设备同步进行，传统状态下企业检修或者维修机器设备，往往会产生停工停产等不小的机会成本，但一旦实现数字孪生，所有的故障都首先在桌面上检测后排除，继而反馈到实体设备完成检修任务，整个过程不会影响到机器作业程序，生产效率由此大大提高。
除了生产设备可以通过数字孪生变得格外流畅与非常健康外，作为工业企业最重要的价值载体，产品及其生产更能够在数字孪生的武装下变得更完善与更利落，即从产品的设计，到产品的制造均可以通过数据建模实现全流程的监控分析，从中既可以及时调整与完善产品的形状、结构以及工艺，又可以发现产品的质量瑕疵，并进行同步性修补与改善。同样的道理，企业的整条产品生产线也可以数字孪生，借助赛博空间生产线的等价映射镜像，提前优化生产流程中的资源与要素配置，同时捕捉与清除相关的线上堵点，达到对整个产品生产活动的风险隔离与健康管理。
数字孪生当然可以延伸到后续服务层面。比如通过对产品的几何形状、性能、历史销售、用户反馈等进行建模，就可以改变传统的产品运行“黑箱”状态，实时监测产品的使用与运转状况，发现产品具体功能偏差的同时，更能提前预判产品零部件的损坏时间界面，以便主动、及时和提前提供维护服务。根据知名咨询公司Gartner发布的分析报告，基于数字孪生的产品智能服务，维修人员的响应时间从原来的300分钟缩短到了15分钟，同时一次性修复率从75%提升到92%。
智能车间与智能工厂是数字孪生的可视化成果。任何一个车间与企业，都可以将机器装备、生产制造体系以及仓储设备等孪生成赛博空间的等价数据模型，并借此对实体物理基础设施的工作状况进行同步及时的测试与检测，从中揭示人机匹配与交互程度，勘验固定资产使用寿命和折旧必要性，同时分析与跟踪产量进度指标与产品库存态势，预测与排除要素搭配中的掣肘与障碍，发现与纠正生产过程中的偏差与失误，确保企业基础设施与生产能力在最佳生命时段与优化情景中运行递进。
实体企业的应用案例有力佐证了数字孪生的重要价值。美国通用电气共拥有120万个数字孪生体，号称在每个引擎、每个涡轮、每台核磁共振创造了一个数字孪生体，由此造就了GE成为了美国工业互联网的排头兵；在产品制造领域，劳斯莱斯使用数字孪生风扇叶片来制造超级喷气发动机，产生了降低燃油消耗25%的效果；产品研发方面，葛兰素史克疫苗研发及生产通过“数字双胞胎”的监控，企业的质量控制开支减少13%，返工和报废减少25%，合规监管费用减少了70%。另外，腾讯的数字孪生应用案例更能全面说明问题。在工业领域，腾讯为瑞泰马钢打造了“透明工厂”，从生产资料进入、订单匹配、排产以及到生产管理，数字孪生可以帮助其生产效率提高12%，故障率降低25%，品质提升10%。在低碳生产上，瑞泰马钢的单位产值能耗大幅降低，从90公斤标准煤/万元减少到35公斤标准煤/万元，有效实现了节能减排。
基于数字孪生的巨大价值， Gartner连续六年将“数字孪生”列为当年的十大战略科技发展趋势，并预测未来这一技术物种还会产生更大的破坏性创新。据Gartner统计，目前全球部署物联网的企业和组织中已有16%应用数字孪生，62%的组织正在准备使用数字孪生；同时Gartner预测，明年全球将有超六成的大型工业企业使用数字孪生，从而使这些企业的效率提高10%；2024年会有超过25%的全新数字孪生将作为新IoT原生业务应用的绑定功能被采用。值得注意的是，除了在工业制造舞台上尽展风姿外，数字孪生还可在工程建筑、医学分析等行业助力赋能，更能在城市基础设施建设、居民出行服务等领域大显身手，因此国际数据公司IDC预测，到2025年，全球数字孪生市场规模将增至264.6亿美元。
（作者系中国市场学会理事、经济学教授）
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