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什么是數(shù)字孿生

數(shù)字孿生是一個(gè)最近兩年才被重復(fù)提起的新名詞，很多人還比較陌生。

根據(jù)國(guó)際定義，數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。

從概念上來看，有幾個(gè)核心點(diǎn)：

一是物理世界與數(shù)字世界之間的映射;

二是動(dòng)態(tài)的映射;

三是不僅僅是物理的映射，還是邏輯、行為、流程的映射;比如生產(chǎn)流程、業(yè)務(wù)流程等。

四是不單純是物理世界向數(shù)字世界的映射，而是雙向的關(guān)系，也就是說，數(shù)字世界通過計(jì)算、處理，也能下達(dá)指令、進(jìn)行計(jì)算和控制。

五是全生命周期，數(shù)字孿生體與實(shí)體的孿生體是與生共有、同生同長(zhǎng)，任何一個(gè)實(shí)體孿生體發(fā)生的事件都應(yīng)該上傳到數(shù)字孿生體作為計(jì)算和記錄，實(shí)體孿生體在這個(gè)運(yùn)行過程中的勞損，比如故障，都能夠在數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)里有所反映。

02

數(shù)字孿生的組成

根據(jù)德勤的觀點(diǎn)，數(shù)字孿生由六大部分組成：

一是傳感器：生產(chǎn)流程中的傳感器負(fù)責(zé)搜集數(shù)據(jù)、傳遞信號(hào);

二是數(shù)據(jù)：傳感器提供的實(shí)際運(yùn)營(yíng)和環(huán)境數(shù)據(jù)和企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)(如物料清單、設(shè)計(jì)圖紙等)合并形成數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)來源;

三是集成：傳感器通過集成技術(shù)(包括邊緣計(jì)算、通信接口等)實(shí)現(xiàn)物理世界和數(shù)字世界之間的數(shù)據(jù)傳輸;

四是分析：利用分析技術(shù)開展算法模擬和可視化程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析;

五是模型：基于上述數(shù)據(jù)與信息，建立物理實(shí)體和流程的數(shù)字化模型，通過模型計(jì)算物理和生產(chǎn)流程是否出現(xiàn)錯(cuò)誤偏差，從而得出解決錯(cuò)誤偏差的方式和行動(dòng);

六是控制器：基于模型計(jì)算的結(jié)果，通過控制器開展行動(dòng)，調(diào)整和糾正錯(cuò)誤。

03

數(shù)字孿生的歷史與案例

數(shù)字孿生最早由密西根大學(xué)教授Grieves于2002年提出。

后來NASA將數(shù)字孿生的理念應(yīng)用在阿波羅計(jì)劃中，開發(fā)了兩種相同的太空飛行器，以反映地球上太空的狀況，進(jìn)行訓(xùn)練和飛行準(zhǔn)備。

數(shù)字孿生被Gartner評(píng)為未來最為重要的十大關(guān)鍵技術(shù)之一，Gartner認(rèn)為，到2021年，一半的大型工業(yè)公司將使用數(shù)字孿生，從而使這些組織的效率提升10%。

微軟推出了Azure Digital Twin服務(wù)，能夠創(chuàng)建任何物理環(huán)境的數(shù)字模型，包括連接它們的人員、地點(diǎn)、事物、關(guān)系和流程，并與物理世界保持同步。通過Azure Digital Twins，用戶可以在空間的語(yǔ)境中查詢數(shù)據(jù)，該服務(wù)將成為Azure IoT平臺(tái)的一部分。

阿里巴巴城市大腦則提出了“數(shù)字孿生交通”、“數(shù)字孿生城市”、“數(shù)字孿生生態(tài)”三個(gè)階段的數(shù)字孿生藍(lán)圖。

GE公司已經(jīng)擁有了120萬個(gè)數(shù)字孿生體，可以處理30萬種不同類型的設(shè)備資產(chǎn)。

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數(shù)字孿生的價(jià)值

工業(yè)界有一種“工業(yè)領(lǐng)域 1%的革命”的說法，即全球工業(yè)的生產(chǎn)效率提升1%，成本將減少300億。

數(shù)字孿生能在工業(yè)、交通、城市、環(huán)保等各個(gè)領(lǐng)域帶來顯著的效率提升，未來將帶來成本的極大下降。具體來說，分為如下幾個(gè)部分：

首先，數(shù)字孿生將使生產(chǎn)更便捷，創(chuàng)新速度更快，生產(chǎn)周期更短。

如前所述，數(shù)字孿生通過設(shè)計(jì)工具、仿真工具、物聯(lián)網(wǎng)等各種手段，將物理設(shè)備的各種屬性映射到虛擬空間中，形成了一個(gè)可拆解、可復(fù)制、可修改、可刪除的數(shù)字鏡像，這就提升了操作人員對(duì)物理實(shí)體的了解，比如說在現(xiàn)實(shí)中你很難對(duì)一個(gè)燃燒鍋爐復(fù)雜的內(nèi)部情況進(jìn)行了解，但數(shù)字孿生就可以使你對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)情況進(jìn)行了解，這樣解決了很多由于物理?xiàng)l件限制而無法完成的操作。

其次，數(shù)字孿生將極強(qiáng)的提升測(cè)量、分析和預(yù)測(cè)能力。

通過對(duì)物體傳感數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)了解，借助經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)和分析，可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)計(jì)算和總結(jié)出一些原本無法測(cè)量的指標(biāo)，從而極大的提升對(duì)機(jī)械設(shè)備、流程的理解力以及控制和預(yù)測(cè)力。

并且，數(shù)字孿生幫助將經(jīng)驗(yàn)完成數(shù)字化。

在傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)領(lǐng)域，經(jīng)驗(yàn)往往是一種模糊而很難把握的形態(tài)，很難將其作為精準(zhǔn)判決的依據(jù)。而數(shù)字孿生的一大關(guān)鍵進(jìn)步是可以通過數(shù)字化的手段，將原先無法保存的專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)字化，并提供了保存、復(fù)制、修改和轉(zhuǎn)移的能力。

總結(jié)來說，數(shù)字孿生是基于豐富的歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和先進(jìn)的算法模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象狀態(tài)和行為高保真度的數(shù)字化表征、模擬試驗(yàn)和預(yù)測(cè)。通過對(duì)物理和邏輯空間的對(duì)象實(shí)現(xiàn)深入的認(rèn)知、正確的推理、精準(zhǔn)的操作，使得設(shè)計(jì)、操作、控制、管理的效率提升。

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數(shù)字孿生為什么現(xiàn)在產(chǎn)生，現(xiàn)在處于什么狀態(tài)

數(shù)字孿生的出現(xiàn)在于感知、網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、人工智能、控制、建模等技術(shù)在最近十年的集中爆發(fā)。尤其是傳感器和低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將物理世界的動(dòng)態(tài)，通過傳感器精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)地反饋到數(shù)字世界。數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)由實(shí)入虛，網(wǎng)絡(luò)化智能化實(shí)現(xiàn)由虛入實(shí)，通過虛實(shí)互動(dòng)，持續(xù)迭代，實(shí)現(xiàn)物理世界的最佳有序運(yùn)行。

目前，盡管數(shù)字孿生在全球范圍內(nèi)還處于初期階段，僅有一些大型公司在部分領(lǐng)域和環(huán)節(jié)嘗試使用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行部分設(shè)備和流程的改造，如前述的GE、阿里巴巴、微軟等。

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數(shù)字孿生與CAD/PLM/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之間的區(qū)別

(1)與CAD的區(qū)別

CAD模型是數(shù)學(xué)模型，可以是二維的也可以是三維的;數(shù)字孿生必然是三維模型。

數(shù)字孿生和CAD很重要的一層關(guān)系就是數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)裝配關(guān)系數(shù)據(jù)、制造信息數(shù)據(jù)、功能性能數(shù)據(jù)、健康檢測(cè)數(shù)據(jù)、身份識(shí)別數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)三維和數(shù)據(jù)的融合;

CAD模型往往是靜態(tài)的、不可自動(dòng)化的，其作用僅限于設(shè)計(jì)階段;而數(shù)字孿生，是貫穿全生命周期，從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)到倉(cāng)儲(chǔ)物流等，且數(shù)據(jù)反饋和控制是互動(dòng)的。

數(shù)字孿生是基于高保真的三維CAD模型，它被賦予了各種屬性和功能定義，包括材料、感知系統(tǒng)、機(jī)器運(yùn)動(dòng)機(jī)理等。它一般儲(chǔ)存在圖形數(shù)據(jù)庫(kù)，而不是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。

(2)與PLM的區(qū)別

數(shù)字孿生與PLM具有緊密關(guān)系。數(shù)字孿生可以用PLM來管理產(chǎn)品或設(shè)備的生命周期，也從PLM軟件中輸出文件。

然而PLM以前雖然叫做產(chǎn)品全生命周期的管理，但從一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、到服務(wù)的全過程而言，PLM顯然是沒有完成任務(wù)。它的作用，到了制造的后期，往往戛然而止了。大量在制造中發(fā)生的工程狀態(tài)更改，往往無法返回給研發(fā)設(shè)計(jì)師。

數(shù)字孿生的出現(xiàn)，由于對(duì)物理產(chǎn)品的全程(包括損耗和報(bào)廢)進(jìn)行數(shù)字化呈現(xiàn)，這使得產(chǎn)品的“全生命周期”透明化、自動(dòng)化管理概念，成為貨真價(jià)實(shí)的實(shí)際方法。

(3)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是數(shù)字孿生的孵化床。物理實(shí)體的各種數(shù)據(jù)收集、交換，都要借助于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)。它將機(jī)器、物理基礎(chǔ)設(shè)施都連接到數(shù)字孿生上，將數(shù)據(jù)的傳遞、存儲(chǔ)分別放到邊緣或者云端。可以說，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)激活了數(shù)字孿生的生命，它天生具有的雙向通路的特征，使得數(shù)字孿生真正成為一個(gè)有生命力的模型。

數(shù)字孿生的核心是，合適的時(shí)間、合適的場(chǎng)景，做基于數(shù)據(jù)的、實(shí)時(shí)正確的決定。這意味著可以更好地服務(wù)客戶。數(shù)字孿生是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要場(chǎng)景，也是工業(yè)App的完美搭檔。

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有哪些值得關(guān)注的數(shù)字孿生創(chuàng)業(yè)公司?

(1)泰瑞數(shù)創(chuàng)

泰瑞數(shù)創(chuàng)成立于2004年，主要從事三維地理信息技術(shù)的研發(fā)，是國(guó)內(nèi)最早從事數(shù)字孿生城市建設(shè)的公司之一，掌握數(shù)字孿生城市中的新型測(cè)繪、全要素表達(dá)、模擬仿真、深度學(xué)習(xí)等核心技術(shù)，是奧運(yùn)會(huì)、汶川地震、APEC會(huì)議、建國(guó)60周年大慶等重大項(xiàng)目的實(shí)景三位地理信息系統(tǒng)服務(wù)商。

泰瑞獲得過啟迪金控、國(guó)泰創(chuàng)投、漢威電子、東方證券等四輪投資。

(2)51VR

51VR成立于2015年，是一家以VR+AI技術(shù)提供無人駕駛仿真測(cè)試、智慧城市和地產(chǎn)數(shù)字化的科技公司。

其數(shù)字孿生城市做法是運(yùn)用GIS、高程、無人機(jī)斜拍點(diǎn)云、衛(wèi)星圖、街景圖等技術(shù)和數(shù)據(jù)，能夠快速自動(dòng)化構(gòu)建大規(guī)模數(shù)字孿生城市模型，復(fù)原城市的每個(gè)細(xì)節(jié)，約6小時(shí)即可實(shí)時(shí)渲染構(gòu)并構(gòu)建數(shù)千平方公里的 L2 級(jí)別數(shù)字孿生城市。

51VR 于2017年12月完成B 輪 2.1 億元融資，投資方為光速中國(guó)、商湯科技、當(dāng)代集團(tuán)、松禾資本、浦發(fā)硅谷銀行、途家等。

(3)數(shù)字冰雹

數(shù)字冰雹成立于2006年，是一家提供大數(shù)據(jù)可視化、分析決策系統(tǒng)的科技公司。產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航天戰(zhàn)場(chǎng)、智慧城市、網(wǎng)絡(luò)安全、企業(yè)管理、工業(yè)監(jiān)控等領(lǐng)域。提供集設(shè)計(jì)、程序開發(fā)、硬件集成為一體的一站式系統(tǒng)解決方案，幫助決策者發(fā)掘數(shù)據(jù)背后的規(guī)律，提高決策效率與能力。

數(shù)字冰雹曾獲得君源創(chuàng)投、時(shí)代伯樂等兩輪戰(zhàn)略投資。

(4)悉見科技

悉見科技成立于2016年，是一家AR智能眼鏡研發(fā)商，基于拍攝圖片深度優(yōu)化算法、自然紋理平面圖像的識(shí)別和跟蹤算法、在線SLAM算法和離線SLAM算法等技術(shù)，研發(fā)了一款SeengeneX系列AR眼鏡，具有自動(dòng)拍照、工作助手、智慧生活、智能識(shí)別等功能，致力于為文化旅游和教育等行業(yè)提供AR整體解決方案。

悉見科技于2018年完成A輪1.2億元融資，投資方為聯(lián)想之星，金科君創(chuàng)，谷銀基金，雷鳴等。

(5)優(yōu)也科技

優(yōu)也科技成立于2016年，是一家工業(yè)大數(shù)據(jù)解決方案提供商，致力于成為基礎(chǔ)工業(yè)數(shù)字化智能化資源效率提升產(chǎn)業(yè)升級(jí)的領(lǐng)跑者。核心團(tuán)隊(duì)在鋼鐵、有色、發(fā)電、水泥、礦山及造紙等基礎(chǔ)工業(yè)的運(yùn)營(yíng)轉(zhuǎn)型、開發(fā)落地的基礎(chǔ)工業(yè)大數(shù)據(jù)行業(yè)解決方案，解決基礎(chǔ)工業(yè)中痛點(diǎn)難點(diǎn)的管理場(chǎng)景，降低成本，提升質(zhì)量，創(chuàng)造效益。

(6)優(yōu)锘科技

優(yōu)锘科技成立于2012年，是IT可視化和數(shù)據(jù)可視化領(lǐng)域的廠商。

優(yōu)锘科技是優(yōu)锘科技推出的物聯(lián)網(wǎng)可視化PaaS平臺(tái)，為廣大互聯(lián)網(wǎng)用戶提供好用的可視化工具。使用模模搭的網(wǎng)上服務(wù)，用戶可以快速搭建3D可視化場(chǎng)景，能在短短幾十分鐘甚至十幾分鐘時(shí)間里，搭建出包括室內(nèi)、室外、建筑和園區(qū)的復(fù)雜場(chǎng)景，廣泛應(yīng)用于學(xué)校、醫(yī)院、商場(chǎng)、工廠、庫(kù)房等各種場(chǎng)合。

優(yōu)锘科技于2016年完成A輪7200萬元融資，投資方為熔巖創(chuàng)投,金浦投資;于2017年完成B輪1.2億元融資，投資方為云鋒基金等。