透過(guò)《數(shù)字孿生白皮書(shū)2020》，看平行世界的當(dāng)下與未來(lái)
如同人工智能一樣，近兩年大熱的數(shù)字孿生技術(shù)，也并非第一次出現(xiàn)。早在2003年時(shí)，美國(guó)密歇根大學(xué)Michael Grieces教授便在其產(chǎn)品生命周期管理課程上引入了“Digital Twin”。
隨后在2010年時(shí)，NASA（美國(guó)國(guó)家航空航天局）在其太空技術(shù)路線圖中正式引入了數(shù)字孿生一詞。隨后數(shù)字孿生在越來(lái)越多的國(guó)家以及地區(qū)逐漸萌芽。
直到近兩年，伴隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的不斷成熟，數(shù)字孿生的應(yīng)用領(lǐng)域早已超出航空航天的范圍，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、制造業(yè)、石油天然氣、電力、城市管理、船舶、醫(yī)療等多個(gè)行業(yè)。
為了詳細(xì)描述數(shù)字孿生的現(xiàn)狀以及未來(lái)發(fā)展，中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院聯(lián)合樹(shù)根互聯(lián)、特斯聯(lián)、中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心等20余家數(shù)字孿生領(lǐng)域開(kāi)發(fā)商、集成商、科研院所、高校聯(lián)合編寫了《數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書(shū)2020》（以下簡(jiǎn)稱“白皮書(shū)”）。
對(duì)此，中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院表示：希望通過(guò)梳理、分析數(shù)字孿生技術(shù)熱點(diǎn)、行業(yè)動(dòng)態(tài)和未來(lái)趨勢(shì)，為整個(gè)數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供初始連接紐帶，以加快推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展應(yīng)用。
01
數(shù)字孿生的不同定義
首先，結(jié)合白皮書(shū)簡(jiǎn)單了解下數(shù)字孿生的定義。學(xué)術(shù)界認(rèn)為，數(shù)字孿生是通過(guò)數(shù)字化的方式借助歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及算法模型等，模擬、驗(yàn)證、預(yù)測(cè)、控制物理實(shí)體全生命周期過(guò)程的技術(shù)手段創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬實(shí)體。
企業(yè)對(duì)數(shù)字孿生的定義是資產(chǎn)和流程的軟件表示，用于理解、預(yù)測(cè)和優(yōu)化績(jī)效以實(shí)現(xiàn)改善的業(yè)務(wù)成果。由數(shù)據(jù)模型，一組分析或算法，以及知識(shí)三部分組成。
結(jié)合兩組定義不難看出，數(shù)字孿生不同于仿真、信息物理系統(tǒng)CPS、數(shù)字主線、資產(chǎn)管理殼等技術(shù)，其主要具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：互操作性、可擴(kuò)展性、實(shí)時(shí)性、保真性以及閉環(huán)性。
02
生態(tài)系統(tǒng)的六大模塊
白皮書(shū)重點(diǎn)對(duì)數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)做了闡述。白皮書(shū)介紹道，數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)由基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)互動(dòng)層、模型構(gòu)建與仿真分析層、共性應(yīng)用層和行業(yè)應(yīng)用層六大模塊組成。分別對(duì)應(yīng)從設(shè)備、到數(shù)據(jù)、再到行業(yè)應(yīng)用的全生命過(guò)程。
其中，基礎(chǔ)支撐層是物聯(lián)網(wǎng)的終端，包括芯片、傳感器等設(shè)備，用于數(shù)據(jù)的采集以及向網(wǎng)絡(luò)端發(fā)送。諸如高通、英特爾、ARM、AMD、三星、英偉達(dá)、谷歌、華為與阿里等提供芯片；博世、意法半導(dǎo)體、德州儀器、霍尼韋爾、飛思卡爾、英飛凌、飛利浦、漢威電子、華工科技等提供傳感器。
數(shù)據(jù)互動(dòng)層包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理等內(nèi)容。其中，數(shù)據(jù)采集一般通過(guò)分布式控制系統(tǒng)（DCS）、可編程邏輯控制器系統(tǒng)（PLC）和智能檢測(cè)儀表進(jìn)行采集；數(shù)字孿生模型是動(dòng)態(tài)的，建模和控制基于實(shí)時(shí)上傳的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行，對(duì)信息傳輸和處理時(shí)延有較高的要求；交互與協(xié)同，即虛擬實(shí)體實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)映射物理實(shí)體的狀態(tài)，在虛擬空間通過(guò)仿真驗(yàn)證控制效果，根據(jù)產(chǎn)生的洞察反饋至物理資產(chǎn)和數(shù)字流程。
模型構(gòu)建與仿真分析層包括數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)仿真和控制。模型構(gòu)建是指為用戶提供數(shù)據(jù)獲取和建立數(shù)字化模型的服務(wù)，是數(shù)字化的核心技術(shù)，如測(cè)繪掃描、幾何建模、網(wǎng)格剖分、系統(tǒng)建模、流程建模、組織建模等，主要由國(guó)有測(cè)繪企業(yè)主導(dǎo)市場(chǎng)。
仿真業(yè)務(wù)不僅需要建立物理對(duì)象的數(shù)字化模型，還要根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)，通過(guò)物理學(xué)規(guī)律和機(jī)理來(lái)計(jì)算、分析和預(yù)測(cè)物理對(duì)象的未來(lái)狀態(tài)。其中又分為工業(yè)仿真軟件和復(fù)雜系統(tǒng)（交通和物流等）仿真軟件。目前，國(guó)內(nèi)工業(yè)仿真軟件市場(chǎng)被外資產(chǎn)品占據(jù)，如 ANSYS、海克斯康（2017 年收購(gòu) MSC）、Altair、西門子、達(dá)索、Cadence，Comsol，Autodesk，ESI，Synosys，Midas，Livemore等。
共性應(yīng)用層包括描述、診斷、預(yù)測(cè)、決策四個(gè)方面。其需要軟件定義的工具和平臺(tái)提供支持，如Bentley 的 iTwin Service、ANSYS 的 TwinBuilder、微軟的 Azure、達(dá)索的3D Experience等。
行業(yè)應(yīng)用層是針對(duì)行業(yè)需求的數(shù)字孿生技術(shù)在智慧城市、交通、水利、工程、工業(yè)生產(chǎn)、能源、自動(dòng)駕駛、公共應(yīng)急等領(lǐng)域的各種應(yīng)用服務(wù)，市場(chǎng)規(guī)模超千億人民幣，國(guó)內(nèi)外供應(yīng)商超過(guò) 1000 家。
除了六大模塊外，數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)需要云計(jì)算、人工智能、邊緣計(jì)算技術(shù)層的支撐，并需要安全層、其他服務(wù)的支撐。
03
數(shù)字孿生帶來(lái)的新模式新業(yè)態(tài)
當(dāng)下，數(shù)字孿生已在各類型、各領(lǐng)域得以應(yīng)用。Gartner 的研究顯示，截至 2019 年 1 月底實(shí)施物聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)中，已有 13% 的企業(yè)實(shí)施了數(shù)字孿生項(xiàng)目，62% 的企業(yè)正在實(shí)施或者有計(jì)劃實(shí)施。
白皮書(shū)也收集涵蓋了智能制造、智慧城市、智慧交通、智慧能源、智慧建筑、智慧健康等六個(gè)領(lǐng)域共計(jì)31個(gè)數(shù)字孿生應(yīng)用案例。在此可簡(jiǎn)單看下幾個(gè)例子。如在智能制造領(lǐng)域由數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的智慧火電應(yīng)用案例：某火電廠監(jiān)控信息系統(tǒng)在數(shù)據(jù)量采集、功能分散、重要設(shè)備機(jī)理模型等方面存在問(wèn)題。
數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，幫助該火電廠建立了火電機(jī)組設(shè)備模型、機(jī)理模型和管理模型，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字模型與機(jī)組設(shè)備的雙向同步和實(shí)時(shí)互動(dòng)，并支持安全環(huán)保、總體績(jī)效、機(jī)組優(yōu)化、燃料管理等功能。
再比如數(shù)字孿生技術(shù)在智慧濱海城市數(shù)字大腦項(xiàng)目的運(yùn)用。濱海新區(qū)在2018年提出以智慧政務(wù)、智慧經(jīng)濟(jì)、智慧城管和智慧民生四大版塊 N 個(gè)智慧應(yīng)用為重點(diǎn)，分三年推進(jìn)智慧濱海建設(shè)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)一張圖支撐決策、大運(yùn)營(yíng)一條鏈服務(wù)產(chǎn)業(yè)以及大平臺(tái)一張網(wǎng)惠及民生。
借助數(shù)字孿生技術(shù)，濱海城市大腦一方面實(shí)現(xiàn)了全域全量數(shù)據(jù)資源的管理和可視化展示，另一方面借助協(xié)同計(jì)算能力、模型仿真引擎，實(shí)現(xiàn)了濱海城市治理、民生服務(wù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等各系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)。
最后看下數(shù)字孿生技術(shù)在智慧能源領(lǐng)域油氣管道上的應(yīng)用。2018 年，以中俄東線天然氣管道工程建設(shè)為標(biāo)志，中石油提出建設(shè)具備全方位感知、綜合性預(yù)判、一體化管控、自適應(yīng)優(yōu)化能力的智慧管網(wǎng)并開(kāi)題立項(xiàng)，力求實(shí)現(xiàn)管道運(yùn)行管理由精細(xì)化模式進(jìn)一步朝智能化、精準(zhǔn)化方向升級(jí)。
借助數(shù)字孿生技術(shù)，管網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全生命周期、全業(yè)務(wù)鏈數(shù)據(jù)和模型的標(biāo)準(zhǔn)化、集成化；再結(jié)合大數(shù)據(jù)、仿真、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)的非線性疊加，最終管道實(shí)現(xiàn)了全業(yè)務(wù)鏈下信息、技術(shù)和知識(shí)的融合共享，形成了新型協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)的業(yè)態(tài)模式。
04
走向未來(lái)需跨越多重阻礙
值得注意的是，盡管數(shù)字孿生如今發(fā)展得如火如荼，且未來(lái)形式一片大好。但當(dāng)下仍存在著諸多挑戰(zhàn)。結(jié)合白皮書(shū)，可以看到，數(shù)字孿生存在的挑戰(zhàn)主要有以下幾個(gè)方面：
一是標(biāo)準(zhǔn)化方面：從2015年開(kāi)始，數(shù)字孿生便吸引了 ISO、IEC 和 IEEE 等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的關(guān)注。目前，數(shù)字孿生在全球存在著多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，仍需進(jìn)一步良性互動(dòng)。另一方面同一領(lǐng)域之間的標(biāo)準(zhǔn)也需進(jìn)一步融合。
二是數(shù)據(jù)相關(guān)的挑戰(zhàn)：這是數(shù)字孿生的核心之一。主要面臨的問(wèn)題是多維度/多尺度數(shù)據(jù)采集的一致性較難實(shí)現(xiàn)、傳輸?shù)姆€(wěn)定性不足、準(zhǔn)確度難以保障、存儲(chǔ)處理能力不足、接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、互聯(lián)互通互操作的挑戰(zhàn)等。
三是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)的挑戰(zhàn)：表現(xiàn)在系統(tǒng)層級(jí)方面數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化、平臺(tái)化的缺失; 設(shè)計(jì)，制造，銷售，物流，服務(wù)等生命周期上結(jié)構(gòu)化、傳承性、規(guī)劃性的缺失；價(jià)值鏈方面應(yīng)用價(jià)值不足、兼容性差、盈利模式不明。
四是安全方面的挑戰(zhàn)：包括數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)、制造系統(tǒng)控制安全的挑戰(zhàn)。
五是商業(yè)模式相關(guān)的挑戰(zhàn)：表現(xiàn)在多技術(shù)的融合、多領(lǐng)域應(yīng)用、多場(chǎng)景應(yīng)用方面的問(wèn)題以及產(chǎn)業(yè)鏈仍需完善。
六是人才相關(guān)的挑戰(zhàn)：這是因?yàn)楫?dāng)下數(shù)字孿生技術(shù)的核心軟件由國(guó)外人才主導(dǎo)。同時(shí)，盡管多個(gè)國(guó)際性標(biāo)準(zhǔn)組正就數(shù)字孿生技術(shù)開(kāi)展研究，但仍需培養(yǎng)數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)化研究相關(guān)專業(yè)人才，對(duì)共性標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制定。
七是多系統(tǒng)融合的挑戰(zhàn)：包含物理世界的多系統(tǒng)挑戰(zhàn)、數(shù)據(jù)采集及傳輸環(huán)節(jié)的挑戰(zhàn)、模型構(gòu)建方面的挑戰(zhàn)以及交互協(xié)同的挑戰(zhàn)。
參考資料：《數(shù)字孿生白皮書(shū)》2020版
