1.1 數(shù)字孿生簡(jiǎn)介

隨著先進(jìn)的、創(chuàng)新的且復(fù)雜的工程系統(tǒng)的涌現(xiàn)，我們見(jiàn)證了在嚴(yán)苛環(huán)境中仍然表現(xiàn)出色的新技術(shù)的誕生。在工業(yè)4.0時(shí)代，這類技術(shù)的發(fā)展尤為迅猛，數(shù)字孿生技術(shù)便是其中的佼佼者。近年來(lái)，數(shù)字孿生以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)成為工業(yè)界和學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

數(shù)字孿生是用兩個(gè)詞命名的，是具有巨大能量的強(qiáng)大技術(shù)，足以精確復(fù)制現(xiàn)實(shí)世界的設(shè)備、產(chǎn)品和流程等。數(shù)字孿生是在虛擬環(huán)境中運(yùn)行的，本質(zhì)上是現(xiàn)實(shí)世界中實(shí)體的數(shù)字化映射。這是數(shù)字孿生的一個(gè)基本定義，本章還會(huì)進(jìn)一步介紹數(shù)字孿生的其他基本定義和簡(jiǎn)明解釋。

當(dāng)前，虛擬環(huán)境在各行業(yè)中都發(fā)揮著重要的作用。例如，在醫(yī)療行業(yè)，遠(yuǎn)程診斷可以在虛擬環(huán)境中通過(guò)視頻會(huì)議實(shí)現(xiàn)；在教育行業(yè)，也可以通過(guò)視頻會(huì)議將傳統(tǒng)線下課堂轉(zhuǎn)移到虛擬平臺(tái)上教學(xué)。同樣，在其他眾多行業(yè)中，虛擬環(huán)境也在發(fā)揮著重要作用，并且十分有效。數(shù)字孿生就是一項(xiàng)在虛擬環(huán)境中運(yùn)行的技術(shù)，它能應(yīng)用于眾多全球化產(chǎn)業(yè)，如工業(yè)、醫(yī)療、建筑等，并能為這些產(chǎn)業(yè)帶來(lái)諸多優(yōu)勢(shì)和價(jià)值。

當(dāng)為現(xiàn)有的對(duì)象或系統(tǒng)創(chuàng)建數(shù)字孿生時(shí)，它在該特定對(duì)象或系統(tǒng)的整個(gè)生命周期中仍然與其原始的現(xiàn)實(shí)世界的物理對(duì)象相連接。這種連接性是數(shù)字孿生的一個(gè)重要特點(diǎn)。借助這種連接性，現(xiàn)實(shí)世界對(duì)象或系統(tǒng)的所有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)都可以傳輸?shù)綌?shù)字孿生模型，并實(shí)時(shí)更新。因此，數(shù)字孿生模型本質(zhì)上并不是靜態(tài)的，它會(huì)隨著其復(fù)制的現(xiàn)實(shí)對(duì)象的變化而變化，即它會(huì)隨著現(xiàn)實(shí)對(duì)象的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的變化而自動(dòng)更新。當(dāng)現(xiàn)實(shí)對(duì)象發(fā)生任何變化時(shí)，數(shù)字孿生模型也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，這是數(shù)字孿生的一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)。

數(shù)字孿生的這個(gè)優(yōu)勢(shì)決定了它強(qiáng)大的應(yīng)用價(jià)值。在輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)，制造過(guò)程管理，以及產(chǎn)品、生產(chǎn)設(shè)備和系統(tǒng)的監(jiān)控和優(yōu)化方面，數(shù)字孿生能為各利益方帶來(lái)顯著的價(jià)值。

為了促進(jìn)產(chǎn)品或設(shè)備創(chuàng)新，實(shí)驗(yàn)是不可或缺的一環(huán)。對(duì)于現(xiàn)有產(chǎn)品，同樣可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)改進(jìn)和完善，從而推出新版本。無(wú)論是針對(duì)新產(chǎn)品還是現(xiàn)有產(chǎn)品，即使在實(shí)驗(yàn)中采取了所有必要措施和預(yù)防措施進(jìn)行謹(jǐn)慎的干預(yù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍充滿變數(shù)。

實(shí)驗(yàn)一旦成功，就能給產(chǎn)品帶來(lái)巨大價(jià)值；但產(chǎn)品也可能會(huì)在其生命周期中隨時(shí)遭遇問(wèn)題，從而產(chǎn)生不利影響。因此，人們希望有一項(xiàng)新技術(shù)，可以預(yù)測(cè)產(chǎn)品在其生命周期的任何階段可能遇到的問(wèn)題，并采取必要的預(yù)防措施，避免問(wèn)題在現(xiàn)實(shí)中發(fā)生。數(shù)字孿生則是針對(duì)這類情形的最佳選擇。

數(shù)字孿生可以預(yù)測(cè)出產(chǎn)品可能遇到的問(wèn)題。這不僅僅局限于產(chǎn)品，也可以是任何系統(tǒng)或流程。因此，數(shù)字孿生有能力將問(wèn)題扼殺在搖籃中。

盡管數(shù)字孿生概念的提出已有數(shù)十年的歷史，但它只是在近幾年才開(kāi)始展現(xiàn)其影響力。在工業(yè)4.0的浪潮中，它預(yù)示著行業(yè)格局的重大變革，特別是在制造領(lǐng)域。

數(shù)字孿生是工業(yè)4.0藍(lán)圖的重要組成部分，數(shù)字孿生可模擬和優(yōu)化生產(chǎn)系統(tǒng)，推動(dòng)制造業(yè)的變革。眾多要素共同驅(qū)動(dòng)制造業(yè)的未來(lái)發(fā)展，數(shù)字孿生便是其中之一。日益盛行的信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical System，CPS）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、大數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算等，為數(shù)字孿生在制造業(yè)的低成本和系統(tǒng)化實(shí)施鋪平了道路。

當(dāng)前，致力于構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)的全屬性的先進(jìn)產(chǎn)品制造商，對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)表現(xiàn)出了極大興趣。數(shù)字孿生的成功實(shí)施，關(guān)鍵在于其創(chuàng)造的價(jià)值，即對(duì)制造商和終端用戶帶來(lái)的價(jià)值總和。The digital twin: Realizing the cyber-physicalproduction system for industry 4.0（Uhlemann，2017）（《數(shù)字孿生：實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)》）提出了在中小企業(yè)實(shí)施數(shù)字孿生生產(chǎn)系統(tǒng)的建議，并且闡述了數(shù)字孿生對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生的巨大影響。

數(shù)字孿生在制造業(yè)預(yù)算管理中扮演著節(jié)省成本的關(guān)鍵角色。無(wú)論是設(shè)備、產(chǎn)品還是系統(tǒng)預(yù)算，制造業(yè)預(yù)算往往為潛在問(wèn)題預(yù)留空間。一旦企業(yè)完成預(yù)算編制，生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)品或?qū)ο罂赡芤蚋鞣N原因需要返工或遇到一些問(wèn)題從而產(chǎn)生浪費(fèi)；若能預(yù)防這些問(wèn)題或浪費(fèi)，便能降低成本，無(wú)論生產(chǎn)對(duì)象為何。數(shù)字孿生還能減少停機(jī)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)。這不僅能節(jié)省成本，還能確保產(chǎn)品按時(shí)交付，滿足客戶對(duì)交付期限的要求。

在任何情況下，因制造過(guò)程中的問(wèn)題返工都會(huì)增加成本和工時(shí)。若數(shù)字孿生能預(yù)防問(wèn)題、錯(cuò)誤或停機(jī)，并進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)，生產(chǎn)任務(wù)便能按時(shí)完成，滿足交付期限要求，無(wú)需額外工時(shí)。

數(shù)字孿生技術(shù)的另一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)是它能夠以數(shù)字形式呈現(xiàn)原始產(chǎn)品或系統(tǒng)等，現(xiàn)實(shí)世界對(duì)象或系統(tǒng)中正在發(fā)生的變化也會(huì)在數(shù)字孿生模型中同步發(fā)生，這是數(shù)字孿生的核心功能。一旦數(shù)字孿生創(chuàng)建完成，無(wú)論它是產(chǎn)品孿生還是系統(tǒng)孿生，由于它們是在虛擬環(huán)境中運(yùn)行的，人們不需要親臨現(xiàn)場(chǎng)即可遠(yuǎn)程監(jiān)控，提升了觀察和監(jiān)控的效率。

與推動(dòng)數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的其他關(guān)鍵因素一樣，數(shù)字化的廣泛應(yīng)用及其可訪問(wèn)性對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)也具有直接或間接的重要作用。若數(shù)字化發(fā)展不足、傳播不廣或難以訪問(wèn)，那么數(shù)字孿生技術(shù)在各行業(yè)的快速滲透將會(huì)受阻。因此，數(shù)字化的廣泛應(yīng)用和可訪問(wèn)性對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生了非常重要的積極影響。

如今眾多行業(yè)應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)是一個(gè)顯著和新興的趨勢(shì)，其中包括建筑業(yè)、服務(wù)業(yè)、工業(yè)等。建筑業(yè)已經(jīng)為數(shù)字孿生提供了眾多應(yīng)用場(chǎng)景，例如，數(shù)字孿生城市的設(shè)計(jì)就是通過(guò)數(shù)字孿生對(duì)真實(shí)城市進(jìn)行建模，生成數(shù)字化映射。Exploring technology-driven service innovation in manufacturing firms through the lens of service dominant logic（West，2018）（《從服務(wù)視角探討制造企業(yè)技術(shù)驅(qū)動(dòng)的服務(wù)創(chuàng)新思維方式》）提出為了在產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)中提供數(shù)字化服務(wù)，有必要了解一些如服務(wù)生態(tài)系統(tǒng)、服務(wù)平臺(tái)和價(jià)值共創(chuàng)的相關(guān)內(nèi)容。On the requirements of digital twin-driven autonomous maintenance（Khan，2020）（《數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的自主性維護(hù)需求》）指出人們?cè)絹?lái)越傾向于通過(guò)數(shù)字孿生進(jìn)行自主性維護(hù)。Exploring the role of digital twin for asset lifecycle management（Macchi，2018）（《探索數(shù)字孿生在資產(chǎn)生命周期管理中的作用》）指出數(shù)字孿生有望豐富現(xiàn)有的資產(chǎn)信息管理系統(tǒng)。將數(shù)字孿生與可信的數(shù)據(jù)共享技術(shù)（如區(qū)塊鏈）相結(jié)合，可以為研究供應(yīng)鏈開(kāi)辟新賽道，集成的數(shù)字孿生和區(qū)塊鏈構(gòu)架使所有數(shù)據(jù)交易都可追蹤。

在各行業(yè)應(yīng)用數(shù)字孿生都能產(chǎn)生很多效益，例如，數(shù)字孿生可用于制造業(yè)環(huán)境分析。制造業(yè)的傳統(tǒng)定義是將原材料轉(zhuǎn)化成物理產(chǎn)品的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，數(shù)字孿生能夠通過(guò)對(duì)制造環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化、維護(hù)和運(yùn)營(yíng)監(jiān)控，從而產(chǎn)生價(jià)值。在其他重要行業(yè)，如醫(yī)療行業(yè)，數(shù)字孿生也非常有價(jià)值，后續(xù)章節(jié)還會(huì)對(duì)數(shù)字孿生在不同行業(yè)的應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行詳細(xì)討論和說(shuō)明。

2017年，數(shù)字孿生被Gartner（高德納）評(píng)為十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢(shì)之一，數(shù)字孿生的技術(shù)優(yōu)勢(shì)將有助于數(shù)字孿生獲得更高的知名度。

在對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹后，接下來(lái)將介紹數(shù)字孿生的基本定義及相關(guān)說(shuō)明。