数字孪生：别样的“镜花水月”

乐佳

什么是數字孪生

数字孪生（Digital Twin）的概念最早是由密西根大学的Michael Grieves教授在其2002年发表的一篇文章中提出的。目前，对于数字孪生的通用定义为：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。我们将上述定义中一些复杂的技术性概念剔除掉后，可以将其简化为：数字孪生完成的是现实世界中物理模型在虚拟空间的映射。

我们可以用照镜子的例子来更加形象地加以描述：数字孪生就好比是一面“镜子”，它通过各种感知技术采集现实世界中物理模型的各种数据，然后根据这些数据，通过数字技术在虚拟空间中投影出一个和该物品完全一模一样的实体。但和通过现实世界中的镜子我们只能看到物品的外观不同，通过数字孪生这面“镜子”我们还能看到该物品内部的构造，而且在这面“镜子”中物品是立体的，甚至是可以“触碰”的。不仅如此，我们还能通过这面“镜子”实时观察物品内部的运行情况，监控各种运行参数。比如我们使用数字孪生映射了一台汽车，并在我们的数字设备中进行了可视化，我们得到了和这台汽车无论外形还是内部构造都一模一样的数字实体，由于在运行过程中，这台汽车和它的数字实体中的各个汽车零部件的运行参数是实时同步的，我们便可以使用这个数字实体来实时监控我们汽车的健康状况，甚至可以通过修改数字实体来达到修改汽车实际运行参数的目的。

目前，数字孪生还是一个较新的概念，还处于发展的早期阶段，离我们描述中的场景还有较远的路要走，结合当前5G、物联网和人工智能等高新技术的发展趋势来看，数字孪生未来将在工业制造、智能家居和智能医疗等领域有较大的应用场景。

数字孪生与工业制造

在未来，数字孪生无疑会为工业制造领域带来巨大的变革，任何一个产品在其设计和研发之初，便使用数字孪生技术构建一个与之完全对应的数字实体，这个数字会伴随这个产品生产制造、上线运行的整个生命周期，方便生产者和使用者对其整个生命期中，各个重要部件和参数的实时监控以及运维管理。我们以一架飞机的制造为例加以说明：在一架飞机的设计阶段，可以使用数字孪生并结合以往的历史数据来设计飞机的结构和模型，并通过模拟实验来验证相关的设计在各种环境下的性能;在生产阶段则可以利用数字孪生技术实时监控各项生产指标，发现问题时可以及时调整生产策略，从而提高生产的效率和质量;当飞机交付运行后则可以利用数字孪生技术来实时监控飞机的运行情况，从而帮助运维人员制定更好的运维策略。实际上，当前已经有很多制造行业（如：汽车、飞机等）开始引入简单的数字孪生技术来提高产品制造的效率和质量。波音首席执行官Dennis Muilenburg就曾明确表示：“数字孪生技术让飞机的质量提升了 40%-50%，我们依然处于这项技术很早期的阶段。相信未来，数字孪生和工业制造一定能擦出更多火花。”

数字孪生与智能生活

随着物联网、5G、人工智能的兴起，我们的家居生活将变得越来越智能;数字孪生将为智能家居中的各种智能家用设备（如：智能电视、智能冰箱、智能扫地机器人等）的统一管理提供较好的解决方案。数字孪生技术将为这些智能设备的管理提供一个“所见即所得”的管理方式，从而使得智能家居更加智能和高效。

在未来，我们可能一出生便会有一个和自己一模一样的数字孪生体，这个孪生体将和我们一起成长，通过它我们可以实时了解自己的身体情况：心跳速率、血压、疾病情况等。从而方便我们根据身体的实际情况制定相关的饮食方案以及运动计划。此外，当身体出现状况时，会及时通知我们，并为我们提供身体机能的历史数据，方便我们及时就医并制定相关的治疗方案。

目前来看，数字孪生还是襁褓中的婴儿，但长远来看，其未来必将改变我们工作和生活的方方面面。