它会给我们带来什么？

今天小枣君要给大家介绍的，是一个听起来就很高大上的概念——数字孪生。

相信很多人都听说过数字孪生。在过去几年，这个词的热度不断攀升，频繁出现在各大峰会论坛的演讲主题之中，备受行业内外的关注。

究竟什么是数字孪生？它是谁提出来的？它会给我们的生活带来什么样的改变？

带着这些问题，我们来看今天这篇文章——

什么是数字孪生 

数字孪生，英文名叫 Digital Twin（数字双胞胎），也被称为数字映射、数字镜像。

它的官方定义非常复杂，是这么说的：

数字孪生，是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

看晕了吧？其实，简单来说，数字孪生就是在一个设备或系统的基础上，创造一个数字版的「克隆体」。

这个「克隆体」，也被称为「数字孪生体」。它被创建在信息化平台上，是虚拟的。

也许你会说，这不就是电脑上的设计图纸嘛？CAD 搞搞不就有了？

其实不然。相比于设计图纸，数字孪生体最大的特点在于：它是对实体对象（姑且就称为「本体」吧）的动态仿真。也就是说，数字孪生体是会「动」的。

而且，数字孪生体不是随便乱「动」。它「动」的依据，来自本体的物理设计模型，还有本体上面传感器反馈的数据，以及本体运行的历史数据。

说白了，本体的实时状态，还有外界环境条件，都会复现到「孪生体」身上。

如果需要做系统设计改动，或者想要知道系统在特殊外部条件下的反应，工程师们可以在孪生体上进行「实验」。这样一来，既避免了对本体的影响，也可以提高效率、节约成本。

除了「会动」之外，理解数字孪生还需要记住三个关键词，分别是「全生命周期」、「实时/准实时」、「双向」。

数字孪生是源自工业界的概念。在工业制造领域，有一个词叫做「产品生命周期管理（PLM）」。相信很多人都听说过。

全生命周期，是指数字孪生可以贯穿产品包括设计、开发、制造、服务、维护乃至报废回收的整个周期。它并不仅限于帮助企业把产品更好地造出来，还包括帮助用户更好地使用产品。

而实时/准实时，是指本体和孪生体之间，可以建立全面的实时或准实时联系。两者并不是完全独立的，映射关系也具备一定的实时性。

双向，是指本体和孪生体之间的数据流动可以是双向的。并不是只能本体向孪生体输出数据，孪生体也可以向本体反馈信息。企业可以根据孪生体反馈的信息，对本体采取进一步的行动和干预。

数字孪生的起源 

说到「数字孪生」这个概念的发明者，行业里并没有明确的说法。

很多人认为，数字孪生是美国密歇根大学教授 Michael Grieves 博士于 2002 年提出的。

Michael Grieves 博士

但这种说法并没有书面的文献或资料可以支撑。

Michael Grieves 博士在 2014 年发布的文章中，曾经「追溯」自己曾经在 2002 年密歇根大学 PLM 中心一次演讲中，提及了类似数字孪生的相关概念。他还「追溯」自己曾经在 2003 年的一次高管培训上，提出了「物理产品的数字等同体或数字孪生体概念」。

然而，这些都没有确凿的文献或影像资料证据。

真正有据可查的「数字孪生」概念提出者，是美国空军研究实验室（AFRL，Air Force Research Laboratory）。

AFRL 徽标

2011 年 3 月，美国空军研究实验室结构力学部门的 Pamela A. Kobryn 和 Eric J. Tuegel，做了一次演讲，题目是「Condition-based Maintenance Plus Structural Integrity (CBM+SI) & the Airframe Digital Twin（基于状态的维护+结构完整性&战斗机机体数字孪生）」，首次明确提到了数字孪生。

当时，AFRL 希望实现战斗机维护工作的数字化，而数字孪生是他们想出来的创新方法。

当美国空军意识到数字孪生具有很强实用意义的同时，另一家企业也对数字孪生产生了浓厚的兴趣，它就是美国通用电气公司（GE）。

美国通用电气公司（GE）

美国通用电气公司在为美国国防部提供 F-35 联合攻击机解决方案的时候，发现了数字孪生体的价值。

不知道大家是否还记得小枣君之前那篇介绍工业 4.0 的文章？是的，美国通用电气公司，就是美国先进制造战略（美国版的工业 4.0）的主要推手。

当时的美国通用，一直在致力于研究工业数字化，以及如何构建工业互联网体系。显然，数字孪生对工业 4.0 非常有用，可以说是如鱼得水。

再后来，德国西门子（德国工业 4.0 的代表企业）也跟着拥抱了数字孪生，将其奉为至宝。

2015 年左右，中国也开始跟进。当时包括工业 4.0 研究院在内的多家国内研究机构和企业，纷纷启动了数字孪生相关的研究课题。

从那之后，数字孪生这个概念，就开始风靡互联网和产业界，直至今日。

数字孪生的价值 

只是建了一个数字孪生体，凭什么说它会影响第四次工业革命的发展？它到底能给传统产业带来哪些好处？

我们通过案例来解释说明一下。

工业制造

数字孪生起源于工业制造领域。工业制造也是数字孪生的主要战场。

生产流程数字孪生模型（图片来自德勤大学出版社）

前面我们介绍数字孪生概念的时候，其实已经提到了这块的内容。

在产品研发的过程中，数字孪生可以虚拟构建产品数字化模型，对其进行仿真测试和验证。生产制造时，可以模拟设备的运转，还有参数调整带来的变化。

数字孪生能够有效提升产品的可靠性和可用性，同时降低产品研发和制造风险。

维护阶段，数字孪生也能发挥重要作用。

正如前文所说，美国空军提出数字孪生，就是为了帮助更好地维护战斗机。

采用数字孪生技术，通过对运行数据进行连续采集和智能分析，可以预测维护工作的最佳时间点，也可以提供维护周期的参考依据。数字孪生体也可以提供故障点和故障概率的参考。

数字孪生给工业制造带来了显而易见的效率提升和成本下降，使得几乎所有的工业巨头趋之若鹜。

以美国通用公司为例。他们号称自己已经为每个引擎、每个涡轮、每台核磁共振创造了一个数字孪生体（截至 2018 年，GE 已经拥有 120 万个数字孪生体）。

图片来自 GE 官网

通过这些拟真的数字化模型，工程师们可以在虚拟空间调试、实验，能够让机器的运行效果达到最佳。

国内的很多工业科技企业也在数字孪生技术上有所布局，其中包括树根互联、研华科技、软通动力等。

智慧城市

除了工业制造之外，数字孪生和 5G、智慧城市也有非常密切的关系。

我们知道，5G 将开启「万物互联」的时代，它使得人类的连接技术到了前所未有的高度。

未来，在 5G 的支持下，云和端之间可以建立更紧密的连接。这也就意味着，更多的数据将被采集并集中在一起。

这些数据，可以帮助构建更强大的数字孪生体。例如，一个数字孪生城市。

如今，我们的城市布满了各种各样的传感器、摄像头。借助包括 5G 在内的物联网技术，这些终端采集的数据可以更快地被提取出来。

在数字孪生城市中，基础设施（水、电、气、交通等）的运行状态，市政资源（警力、医疗、消防等）的调配情况，都会通过传感器、摄像头、数字化子系统采集出来，并通过包括 5G 在内的物联网技术传递到云端。

城市的管理者，基于这些数据，以及城市模型，构建数字孪生体，从而更高效地管理城市。

相比于工业制造的「产品生命周期」，城市的「生命周期」更长，数字孪生带来的回报更大。当然，城市数字孪生的部署难度也更大。

事实上，印度海德拉巴、新加坡，还有我们中国的深圳、雄安，都已经在做这方面的摸索和尝试。大量的投资，正在涌向「智慧城市+数字孪生」的应用场景。

Virtual Singapore（虚拟新加坡）计划

阿里的「城市大脑」、「数字平行世界」，还有科大讯飞的「讯飞超脑」，都涉及到智慧城市和数字孪生的结合。

基建工程

基建工程也是数字孪生的一个重要应用领域。尤其是对中国这个「基建狂魔」来说，引入数字孪生意义更加重大。

我们在修建高速公路、桥梁等基础设施前，完成对工程的数字化建模，然后在虚拟的数字空间对工程进行仿真和模拟，评估工程的结构和承受能力，还可以导入流量数据，评估工程是否可以满足投入使用后的需求。

在工程交付之后，还可以在维护阶段评估工程是否可以承担特殊情况的压力。以及监测可能出现的事故隐患。

除了上述领域之外，包括医疗、物流、环保等很多场景都适合采用数字孪生技术，应用场景非常广阔。

结 语

总而言之，数字孪生是一项非常有潜力的前沿技术，会给企业带来丰厚的价值回报。

也正因为如此，很多投资机构趁机热炒数字孪生的概念，也有很多企业迫不及待想要拥抱数字孪生。

根据全球知名咨询公司 Gartner2019 年初的调查，部署物联网的企业和组织中，已有 13% 应用数字孪生，62% 的组织正在准备使用数字孪生。

Gartner 还将数字孪生列为 2019 年十大战略性技术趋势。

但是，我们还是应该理性看待数字孪生。

拥抱数字孪生，既需要深厚的技术沉淀，也需要巨大的资金投入，还需要管理水平和员工技能达到相应的层次。

目前这个阶段，国内大部分企业都不具备这个条件。如果盲目跟风、仓促上马，投资很可能会血本无归。

相对来说，潜心研究、客观评估、谨慎投入，才是打开数字孪生世界的正确姿势。