2023年12月，《深圳發(fā)布》公布2023年深圳地區(qū)高質(zhì)量發(fā)展年度熱詞，“數(shù)字孿生”一詞榜上有名。今天我們來聊聊這個聽起來充滿未來感的話題——數(shù)字孿生（Digital Twin）。聽到它可能讓你聯(lián)想到科幻電影中那些高大上的全息影像或者神秘的機(jī)器人，但實(shí)際上，這個概念就藏在我們生活的方方面面。

圖1 “數(shù)字孿生”機(jī)器人（電影《鋼鐵俠3》劇照）

什么是數(shù)字孿生？簡單來說，數(shù)字孿生就是現(xiàn)實(shí)世界中物體或系統(tǒng)的虛擬復(fù)制品。這種復(fù)制不僅僅是外觀上的相似，更重要的是，它們在性質(zhì)、行為和狀態(tài)上都能實(shí)時反映現(xiàn)實(shí)世界中的變化。數(shù)字孿生的概念最早出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，在2011年，美國宇航局的一個項目中首次提出“數(shù)字雙胞胎”的思想，用于管理復(fù)雜的航空系統(tǒng)。從此，這個理念開始悄然改變各行各業(yè)。

數(shù)字孿生的組成部分包括物理空間的實(shí)體產(chǎn)品、虛擬空間的虛擬產(chǎn)品、物理空間和虛擬空間之間的數(shù)據(jù)和信息交互接口以及必須的計算、存儲等計算機(jī)軟硬件產(chǎn)品。數(shù)字孿生的核心在于“數(shù)據(jù)”，想要創(chuàng)建一個精準(zhǔn)的數(shù)字孿生，需要大量來自傳感器的數(shù)據(jù)。這些傳感器遍布于現(xiàn)實(shí)物體之中，可以實(shí)時記錄溫度、濕度、位置、壓力等各種信息，然后通過網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，再通過計算機(jī)進(jìn)行處理和分析。

圖2 數(shù)字孿生五維結(jié)構(gòu)模型（圖源《數(shù)字孿生及其應(yīng)用探索》）

這里，我們不得不提一位強(qiáng)有力的伙伴——物聯(lián)網(wǎng)（IoT）。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）指的是通過互聯(lián)網(wǎng)將各種物體連接起來形成一個網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、監(jiān)控和管理。在數(shù)字孿生中，IoT的作用至關(guān)重要。沒有IoT，數(shù)字孿生體就像人失去了感官系統(tǒng)，無法實(shí)施獲取信息并進(jìn)行反饋。

接下來，我們要聊聊數(shù)字孿生和BIM（建筑信息模型）這兩位“兄弟”的關(guān)系。雖然它們都涉及到建模，但它們的目標(biāo)和應(yīng)用場景卻有所不同。BIM，顧名思義，是用于建筑行業(yè)的數(shù)字化工具，它側(cè)重于三維模型，并綜合考慮建筑的結(jié)構(gòu)、材料、成本和工程時間等因素。從BIM的概念可以看出來，BIM主要用于建筑行業(yè)，而數(shù)字孿生的應(yīng)用則可以擴(kuò)展到制造業(yè)、交通、醫(yī)療等多個領(lǐng)域。BIM主要關(guān)注的是建筑的設(shè)計、施工和管理過程，而數(shù)字孿生則是關(guān)注整個生命周期，包括運(yùn)營和維護(hù)等多個階段。BIM模型通常是靜態(tài)的，而數(shù)字孿生則是動態(tài)的，能夠?qū)崟r反映現(xiàn)實(shí)中的變更?？梢哉f，BIM是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)，兩者如同搭檔，一個負(fù)責(zé)設(shè)計另一個負(fù)責(zé)運(yùn)行。

數(shù)字孿生在我們的生活中有哪些常見的應(yīng)用呢？讓我們一起看看幾個有趣的例子：

在智慧城市領(lǐng)域，可以使用數(shù)字孿生技術(shù)來模擬交通流量，以優(yōu)化信號燈的控制，減少交通擁堵。在IoT技術(shù)和算力水平足夠強(qiáng)大的將來，數(shù)字孿生可以協(xié)同所有道路參與者，提高道路通行的整體效率并進(jìn)一步降低城市交通建設(shè)的成本。

在醫(yī)療健康領(lǐng)域：數(shù)字孿生模型可以借助智能穿戴設(shè)備實(shí)時監(jiān)測用戶的心率、睡眠質(zhì)量等，并回傳至醫(yī)生處，相比于紙質(zhì)病例，數(shù)字孿生技術(shù)使得身體各項指標(biāo)可以更及時、連續(xù)地呈現(xiàn)，使得數(shù)據(jù)更加全面和立體，從而更及時地評估病人的身體狀態(tài)并給予更精準(zhǔn)的醫(yī)療建議。。

在工業(yè)制造領(lǐng)域，機(jī)器的數(shù)字孿生可以幫助企業(yè)預(yù)測故障，降低停機(jī)時間，甚至優(yōu)化生產(chǎn)流程。想象一下，你的洗衣機(jī)能夠提前告訴你：“嘿，我快罷工了，你要準(zhǔn)備換我了嗎？”這絕對是一種“精確預(yù)測”的體驗。

圖3（圖源：文心一言AI大模型）

總之，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)深深融入我們的現(xiàn)實(shí)生活中，雖然它的出現(xiàn)讓人感覺像是科幻小說的情節(jié)，但隨著科技的進(jìn)步，這一切都正在變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

參考資料：

[1] 《計算機(jī)集成制造系統(tǒng)》. (2018). 《計算機(jī)集成制造系統(tǒng)》數(shù)字孿生系列報道（一）：數(shù)字孿生及應(yīng)用。

[2] Tuegel E J, Ingraffea A R, Eason T G, et al. Reengineering aircraft structural life prediction using a digital Twin[J]. International Journal of Aerospace Engineering,2011.

作者：呂新智

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