如果您關(guān)注過與產(chǎn)品開發(fā)、預(yù)測分析或基于物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測相關(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？用最簡單的術(shù)語來說，它是現(xiàn)實世界中存在的物理對象，設(shè)備或結(jié)構(gòu)的虛擬表示。
這項創(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。隨著數(shù)字化能力在客戶體驗和運營中變得越來越重要，數(shù)據(jù)驅(qū)動的洞察已成為推動創(chuàng)新和價值創(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。
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時數(shù)據(jù)的虛擬模型。這些虛擬孿生體，有時被稱為，旨在反映現(xiàn)實世界的對象，機器和過程 - 使系統(tǒng)設(shè)計人員和技術(shù)人員能夠模擬現(xiàn)實世界系統(tǒng)的物理屬性和性能。
數(shù)字孿生過程創(chuàng)建了一個數(shù)字表示，該表示可以隨著物理版本隨時間的變化而更新，無論它是否受環(huán)境條件的影響或修復(fù)。為了捕獲這些變化，對象需要安裝物聯(lián)網(wǎng)傳感器，旨在捕獲和傳輸有關(guān)對象或設(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，物理對象將如何反應(yīng)。
面向未來：運行預(yù)測模擬以顯示對未來條件的響應(yīng)。
數(shù)字孿生的種類有哪些？
總體而言，無論以何種類型進行數(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，因為所需的數(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)測物理對象和設(shè)備的物理狀況
運營數(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)測對象或設(shè)備將來如何響應(yīng)操作條件，這有助于預(yù)測性維護和產(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)計有如此多的變體，因此也有許多方法可以對這些虛擬副本的設(shè)計和功能進行分類。
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)控和分析單個設(shè)備
復(fù)合數(shù)字孿生體：由多個離散數(shù)字孿生體組成，用于表示具有多個組件的設(shè)備或進程
組織的數(shù)字孿生 （DTO）：整個組織的組件和交互的高度復(fù)雜的表示
然后，對于這三種數(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級別：
描述性孿生是對象或設(shè)備的虛擬表示，可以使用建筑信息建模 （BIM） 軟件的 3D 建模對其進行編輯和分析。
信息孿生將數(shù)字孿生向前推進了一步，并從感興趣對象或設(shè)備上的物聯(lián)網(wǎng)傳感器獲取物理和操作數(shù)據(jù)，并實時更新虛擬副本以匹配其現(xiàn)實世界的對應(yīng)物。
預(yù)測孿生將用于創(chuàng)建信息孿生的實時數(shù)據(jù)與其他上下文數(shù)據(jù)和預(yù)測分析相結(jié)合。這允許建模和基于演示的仿真，可以識別或預(yù)測性能或結(jié)構(gòu)完整性問題。
綜合數(shù)字孿生使用更高級的建模來預(yù)測所呈現(xiàn)的對象或設(shè)備將如何響應(yīng)尚未發(fā)生的基于未來的場景。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，產(chǎn)品設(shè)計）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算法，做出人工智能和機器學(xué)習(xí)（AI / ML）驅(qū)動的決策，以根據(jù)物體的過去性能或物理條件來響應(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)建的虛擬表示的級別（即描述性，信息性，預(yù)測性，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)，自動化，預(yù)測分析和工業(yè)4.0的未來提供技術(shù)解決方案的多個垂直空間：
制造業(yè)： 該技術(shù)可用于可視化、監(jiān)控和改進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：
模擬和測試不同的組織和護理服務(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)個性化藥物。
航空航天：數(shù)字孿生實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)測分析來測試組件和零件的故障，而不會危及昂貴的設(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)自動駕駛汽車。自動駕駛汽車需要物聯(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景中測試車輛的功能。
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)險并支持預(yù)測性維護。
數(shù)字孿生技術(shù)的一般用例
在實施特定于行業(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。同一個現(xiàn)實世界的對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
整個資產(chǎn)或產(chǎn)品
一個系統(tǒng)
一個過程
讓我們探討數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助加速和改進的三大類用例。
產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計
組織在產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計方面投入巨資以保持競爭力，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產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計，使產(chǎn)品團隊能夠：
使用虛擬仿真進行壓力測試材料
將物理原型的早期反饋整合到虛擬表示中
一次創(chuàng)建多個產(chǎn)品版本以測試和收集反饋
流程和運營優(yōu)化
當(dāng)今的組織還希望優(yōu)化其內(nèi)部流程和運營 - 無論是在工廠車間，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
識別浪費和浪費時間的領(lǐng)域，并測試如何減少浪費和浪費時間的模擬
實施預(yù)測性維護或自主操作，保護貴重設(shè)備、系統(tǒng)或流程免受代價高昂的損壞或停機
環(huán)境監(jiān)測與災(zāi)害應(yīng)對
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)險時，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還可以幫助現(xiàn)場經(jīng)理和員工快速有效地做出響應(yīng)，以降低災(zāi)難發(fā)生時對公共衛(wèi)生和環(huán)境安全的風(fēng)險。
數(shù)字孿生技術(shù)的價值是什么？
預(yù)計未來幾年，全球數(shù)字孿生技術(shù)市場將繼續(xù)呈爆炸式增長，預(yù)計從2022年到2027年的復(fù)合年增長率（CAGR）為31.7%。這是因為使用數(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
在無窮無盡的場景中，創(chuàng)建數(shù)字孿生體可以提供洞察力和價值。隨著人工智能建模和支持物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)收集的進步，公司可以更好地預(yù)測產(chǎn)品、設(shè)備和流程將如何對新的環(huán)境條件或壓力源做出反應(yīng)。
公司無需創(chuàng)建昂貴的原型來測試或在事件發(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)致以更低的成本實現(xiàn)價值的速度 - 這正是近年來數(shù)字孿生快速增長的原因。
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，但實際上，它們是實現(xiàn)尚未實現(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，同時還可以模擬各種場景來評估性能。
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現(xiàn)創(chuàng)新，并以更少的時間、精力和成本更快地交付價值。
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，以減少對環(huán)境的影響，提高生產(chǎn)力，同時降低運營成本。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環(huán)境的影響，并在災(zāi)難發(fā)生時避免或做出響應(yīng)。
