數(shù)字孿生（Digital Twin）技術(shù)正被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)制造、工程建設(shè)、智慧城市、汽車駕駛、政府機(jī)構(gòu)、醫(yī)學(xué)分析及文旅創(chuàng)意等諸多領(lǐng)域。數(shù)字孿生是一種“能將物理世界和數(shù)字世界打通實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合”的復(fù)合技術(shù)，未來它的發(fā)展?jié)摿薮蟆?br/>

數(shù)字孿生應(yīng)用場景漸寬

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，數(shù)字孿生的應(yīng)用場景逐步拓寬，全球各領(lǐng)域龍頭企業(yè)借助數(shù)字孿生推動業(yè)務(wù)和技術(shù)的前進(jìn)。

在智慧工廠領(lǐng)域，寶馬（BMW）集團(tuán)通過英偉達(dá)的Omniverse平臺在計(jì)算機(jī)中創(chuàng)建數(shù)字孿生工廠，并在數(shù)字孿生工廠中進(jìn)行改變生產(chǎn)線配置、工人動線、倉儲管理等實(shí)驗(yàn)。在智慧城市領(lǐng)域，愛立信（Ericsson）公司在計(jì)算機(jī)中創(chuàng)建一個(gè)大型規(guī)模的數(shù)字孿生城市，來準(zhǔn)確模擬5G基站與環(huán)境之間的相互作用，以便令5G信號達(dá)到最佳傳輸性能和覆蓋率。在消防滅火領(lǐng)域，洛克希德·馬丁（Lockheed Martin）公司與美國州政府、聯(lián)邦森林服務(wù)局合作對抗野火，通過英偉達(dá)Omniverse先進(jìn)的可視化和模擬平臺，通過精準(zhǔn)地物理模擬來在數(shù)字孿生中預(yù)測火災(zāi)動向，以讓系統(tǒng)提出抑制火勢的建議行動。在模擬氣候領(lǐng)域，英偉達(dá)計(jì)劃通過打造超級計(jì)算機(jī)將E-2（Earth-2，地球2號），在Omniverse內(nèi)創(chuàng)建地球的數(shù)字孿生，并通過Modulus AI物理模型，模擬地球氣候。在建筑模擬領(lǐng)域，應(yīng)用數(shù)字孿生可真實(shí)模擬建筑的內(nèi)部樣子。通過數(shù)字孿生在最大程度考量自然光特性的前提下模擬建筑內(nèi)部的光照設(shè)計(jì)，通過解決平衡照進(jìn)建筑的光來達(dá)到形成恒溫系統(tǒng)并節(jié)約能源。基礎(chǔ)設(shè)施工程軟件公司Bentley打造Digital Twin平臺，利用數(shù)字孿生構(gòu)建道路橋梁、鐵路和交通系統(tǒng)，在施工完畢后可以使用3D模型在整個(gè)生命周期中監(jiān)控和優(yōu)化性能。

數(shù)字孿生虛擬世界內(nèi)的各部分構(gòu)成都極大遵循現(xiàn)實(shí)世界的物理法則，因此數(shù)字孿生可以從一定程度模擬現(xiàn)實(shí)世界的運(yùn)作，并在很大程度上指導(dǎo)現(xiàn)實(shí)世界。

數(shù)字孿生對軟硬件提出更高要求

在數(shù)字孿生中進(jìn)行模擬是上述應(yīng)用案例共同的特色。利用數(shù)字孿生技術(shù)可以取代原本需要在真實(shí)世界花費(fèi)大量時(shí)間、巨大費(fèi)用進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，這樣便增加了產(chǎn)品、服務(wù)研發(fā)速度，同時(shí)也降低了成本。例如，寶馬公司用Omniverse打造汽車工廠的Digital Twin，用來定期對工廠做規(guī)劃與測試。西門子能源公司（Siemens Energy）打造Digital Twin，對熱回收蒸汽發(fā)生器工作中的腐蝕過程做模擬，以此來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的預(yù)測性維護(hù)，據(jù)統(tǒng)計(jì)每年可以節(jié)省近20億美元。

數(shù)字孿生的技術(shù)實(shí)現(xiàn)依賴于諸多新技術(shù)的發(fā)展和高度集成，以及跨學(xué)科知識的綜合應(yīng)用，是一個(gè)復(fù)雜的、協(xié)同的系統(tǒng)工程。數(shù)字孿生涉及的關(guān)鍵技術(shù)方法包括建模、大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、模擬仿真等。數(shù)字孿生建模技術(shù)經(jīng)歷了從實(shí)物的“組件組裝”式建模到復(fù)雜實(shí)體的多維深度融合建模的發(fā)展。由于數(shù)字孿生存在海量數(shù)據(jù)存儲及大數(shù)據(jù)分析，因此對數(shù)據(jù)的存儲能力和計(jì)算能力提出了較大的挑戰(zhàn)。

數(shù)字孿生對處理芯片、數(shù)據(jù)平臺、設(shè)備等都提出了高要求。一是，數(shù)字孿生設(shè)計(jì)的模型與數(shù)據(jù)規(guī)模龐大，包括建模對象全生命周期中不斷更新的全要素、全業(yè)務(wù)、全流程的數(shù)據(jù)與模型，需要計(jì)算機(jī)硬件具備巨大的處理能力。二是，數(shù)字孿生對模型仿真與數(shù)據(jù)分析處理效率有實(shí)時(shí)要求，即基于實(shí)時(shí)的模型方針與數(shù)據(jù)分析結(jié)果向物理空間反饋控制策略，這需要計(jì)算設(shè)備或硬件具有強(qiáng)大的計(jì)算能力。三是，數(shù)字孿生對終端設(shè)備提出更互動、更沉浸、更清晰的要求，這對設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸能力、顯示技術(shù)等提出了更高要求。尤其是處理芯片和數(shù)據(jù)平臺等，成為促進(jìn)數(shù)字孿生高效率、高速、高質(zhì)量運(yùn)行的推動條件。

數(shù)字孿生挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存

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，從而反映相對應(yīng)的實(shí)體裝備和應(yīng)用場景的全生命周期過程。

數(shù)字孿生具有將虛擬空間和物理實(shí)體緊密融合的特點(diǎn)，在5G技術(shù)下，數(shù)字孿生將更容易落地。在工業(yè)領(lǐng)域，數(shù)字孿生的使用將大幅推動產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)及維修等環(huán)節(jié)的變革。通過數(shù)字孿生技術(shù)，不僅能夠?qū)S設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)判和及時(shí)維修，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控、遠(yuǎn)程維修，極大降低運(yùn)營成本，提高安全性。在醫(yī)療領(lǐng)域，個(gè)人的健康監(jiān)測與管理可通過數(shù)字孿生可以更清楚地了解身體的變化，對疾病做出及時(shí)預(yù)警。未來可通過各種新型醫(yī)療檢測和掃描儀器以及可穿戴設(shè)備，完美地復(fù)制出一個(gè)數(shù)字化身體。通過追蹤這個(gè)數(shù)字化身體的運(yùn)動與變化，來更好地進(jìn)行健康監(jiān)測和管理。在智慧城市領(lǐng)域，無人機(jī)群將為城市提供基于圖像掃描的城市數(shù)字模型，使街道、社區(qū)、娛樂、商業(yè)等各功能模塊都將擁有數(shù)字模型，便于人類對城市智慧化管理。

數(shù)字孿生的發(fā)展也面臨一定的挑戰(zhàn)。數(shù)字孿生技術(shù)需要進(jìn)行全域感知、運(yùn)行監(jiān)測，并整合歷史積累數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，還要做到快速及時(shí)地輸出信息。在數(shù)據(jù)的感知方面，目前的技術(shù)水平在工廠中對機(jī)器的精確的全域感知依然有難度。其次在軟件方面，需要更加先進(jìn)的算法和各類軟件的整合，例如利用人工智能、邊緣計(jì)算等技術(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行更加快速的分析處理，進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。數(shù)字孿生未來發(fā)展問題的解決需要依賴芯片、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、軟件算法等技術(shù)的進(jìn)步。

展望未來，隨著城市數(shù)字模型的擴(kuò)充與發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)將覆蓋城市的每條電力線、變電站、污水系統(tǒng)、供水和排水系統(tǒng)、城市應(yīng)急系統(tǒng)、交通控制系統(tǒng)等諸多地方。當(dāng)下，數(shù)字孿生技術(shù)的瓶頸來自方方面面，暫時(shí)還無法大規(guī)模普及使用，但它可以為工業(yè)制造、未來生活帶來無限的可能。隨著芯片、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、軟件算法等技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生將有更多想象空間。

作者丨賽迪顧問股份有限公司集成電路產(chǎn)業(yè)研究中心 池憲念