譯者注：

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在Matrix這部電影中，主人公恍然發現自己生活在虛擬的數字世界里。這科幻的場景，是否有天會成真呢？在虛擬的世界中，是否可以創造一個你的數值雙胞胎，重復著你的生長軌跡，甚至能預測你的行為？真是細思極恐。那今天我們不聊科幻，看點兒實在的--工業數值仿真正在做這樣一件事，就是創建一個現實產品的數字雙胞胎，從而對產品從設計到生產等全生命周期進行仿真。這是工業4.0的一項重要內容。

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數字雙胞胎的概念并不是個新鮮詞兒。但就像工業4.0的許多事務一樣，數字雙胞胎的出現越來越頻繁，這是技術融合的結果。

多虧了云計算、物聯網(IoT)、先進的模擬和大量的計算，數字雙胞胎無疑是一種需要關注的新興技術，業界正花費大量資金來跟上其發展。

在本文中，我們將介紹數字雙胞胎的基礎知識，并與參與數字雙胞胎開發的不同公司的專家進行交流，以了解這項技術目前的地位。

渦扇發動機數字雙胞胎。(圖片由ANSYS提供)。

數字雙胞胎101

數字雙胞胎是指真實系統的虛擬化展現（往往是三維的）。

在虛擬同胞和與之匹配的現實同胞之間有一個數據流，通過現實系統上的傳感器，虛擬同胞系統會被更新，這樣現實系統的狀態就可以被實時監控。這個過程不僅僅是對真實系統的狀態更新。可以對虛擬系統進行編程，以運行假設的場景，從而獲取最佳參數。

通常，數字雙胞胎包含不同的層，每個虛擬層代表一個等效的物理層。這些層可以包括物理、材料、結構、電子、流體等。

只要系統能被測量，就可以在數字雙胞胎中建模，并且從真實的系統中獲取的數據越多，數字副本就會越強大和準確。我們在大數據和云時代捕捉、處理和模擬的能力使這一切成為可能。數字雙胞胎正是工業4.0的產物。

無論是事后診斷或者事前預測，我們可以從數字雙胞胎獲得許多信息。這些信息可以用來減少停機時間和增加投資回報。它甚至可以從實際的生命服務周期追溯到產品開發階段，從而在一個封閉的產品全生命周期內，使未來的產品持續優化成為可能。最后一點是IoT驅動的產品開發中的一個共同主題。在過去，產品開發通常在產品交付給客戶時就結束了。

 

數字雙胞胎概覽(圖片由德勤提供)

 

那種時代已經一去不復返了，產品反饋的內容遠遠超出了本身的服務信息。隨著產品效率的增長，它的雙胞胎也在成長，反之亦然。數字雙胞胎可以用作沙盒，來測試新的想法，這些想法可以為現實生活中它的同伴提供信息。現實中的同伴也可以它的數字雙胞胎。數據流是一個真實的雙向過程，數字版本和硬件可以一起發展。

“數字雙胞胎為現實世界創造了一種身臨其境、精確的數字表達方式，提供了一種與現實世界互動的新方式。”Autodesk高級研究工程師希瑟·克里克(Heather Kerrick)說。

“我們探索數字雙胞胎作為硬件的編程環境，比如六軸機械臂,除了監控設備本身,用戶可以在數字雙胞胎上積極地對修改他們的設備和流程，然后看到這些變化反映在物理雙胞胎身上。”

 

萬能的雙胞胎

 

    根據行業和應用案例，數字雙胞胎可以有多種形式。

例如，生產線可以有一個顯示狀態的數字雙胞胎，它可以連接到任何顯示故障的支線和傳輸線。同樣的數字雙胞胎甚至可以連接到有限元分析平臺，可以顯示產品設計的變化如何影響設備的實際運行和效率。

在最極端的情況下，生產線可能在組裝戰斗機，每一個有形的部件和系統都被鏡像成一個三維模型。想知道為什么起落架卡住了嗎?只要點擊模型上的起落架，它就會放大成一個子系統。可以繼續放大，直到你發現問題。想在飛機上測試一些新的控制界面嗎?只需將它們添加到數字雙胞胎中并進行模擬。

或者我們舉荷蘭的一座3D打印的橋為例。在Autodesk的幫助下，MX3D公司設計了這座橋。橋的原型和最終版本都有數字雙胞胎，用于不同的目的。

“我們的“智能橋”原型在Autodesk的Pier 9技術中心有一個有效的數字雙胞胎,是基于Revit模型，這是一個簡單的結構,因此不需要捕捉竣工模型構建數字雙胞胎。“Alec Shuldiner說,他是Autodesk的物聯網研究員，作為項目經理負責與MX3D的合作。

“這是用來顯示傳感器位置的，通過Autodesk的項目Dasher 360，近似實時的數據是由這些傳感器產生的。在傳感器數據的基礎上，我們使用機器學習算法讓生成智能。當然目前還沒有顯示數字雙胞胎中的智能屬性(比如占用數量)。在未來，我們將升級數字雙胞胎，不僅顯示數據流，還顯示機器語言輸出。”

“最終版的橋已經基本完成，但傳感器網絡還沒有組裝或開始應用，”舒爾納繼續說道。“我們預期今年晚些時候推出與數字雙胞胎相同的位置傳感器，是源于橋設計時本身已經加載的。這些傳感器生成的實時數據流,基于機器語言的智能來源于這些數據流,包括總體結構實時狀態，還有一個重要的例外:數字模型的基礎是將竣工的大橋掃描的數據(這是必要的,因為竣工和設計會有顯著偏差)。”

正如您所看到的，數字雙胞胎對所有人來說都是適用的，它們的應用程序會根據行業和具體情況不同。可以在雙胞胎中顯示的數據歸根結底取決于雙胞胎設計者的聰明才智，以及需要測量的是什么。如果能被測量，就能被管理。正是這種通過有效的產品生命周期管理而增加的洞察力，使數字雙胞胎成為一個有吸引力的提議。

PLM解決方案副總裁Francois Lamy說:“物理資產與數字定義的融合將會在整個組織中產生乘數效應:從新產品設計到商業模式，最終可以得到更好的工程決策、提高效率和可靠性。”

“通過分析產品在現實世界中的使用情況，制造商能夠做出更好的決策，改進產品，更好地營銷和銷售。”從設計、制造到現場的產品數字記錄將提供一個巨大的機會，通過未來的銷售、召回或升級來提高盈利能力。

“然而，”Lamy繼續說道，“制造商們需要在實現數字雙胞胎之前，先通過智能的、聯網的產品開發過程來管理和理解數據。”通過在數字產品定義中組織產品數據，提前設計具有互聯能力的產品，并確保在整個產品生命周期中都有一個數字線程，制造商可以采取下一步以實現一個完整的數字雙胞胎。

 

我們現在進展到什么程度

 

    市場分析巨頭高德納(Gartner)將“數字雙胞胎”(digital twin)列為2018年十大戰略技術趨勢之一。因此，數字雙胞胎在2017年毫無疑問地進入了Gartner定義的新興技術炒作周期。

 

Gartner定義的2017年新興技術炒作周期。（圖片來自Gartner）

 

正如你從Gartner炒作循環圖中看到的，數字雙胞胎目前處于創新觸發階段，這意味著低使用率，目前主要局限于研究機構和公司的研發部門。圖表顯示，這項技術將在5到10年內達到被廣泛應用生產當中。Gartner估計目前有1- 5%的產品有數字雙胞胎。

據Gartner最近的一項調查顯示，48%的企業目前正在使用物聯網技術，并計劃在2018年實現數字雙胞胎技術。據Gartner的數據，擁有超過50億美元資產的制造商中，有50%將在2020年之前推出至少一項針對產品或資產的數字雙生計劃。

這說明什么?好吧，它告訴我們，數字雙胞胎是一種新興的技術，已經引發了制造商的無限想象，但它還沒有準備好進入主要階段。然而，當它準備好黃金時段時，我們可以預計，這筆費用將由真正有資金投資其開發的高端制造企業承擔。大公司將承擔早期采用的風險，因為他們將是從中獲益最多的公司。

 

復雜系統的鏡像

 

數字雙胞胎概念架構（圖片來源于德勤）

 

現在我們知道了數字雙胞胎是什么，那么就數字雙胞胎技術而言，我們目前處于何種技術階段?

    西門子PLM軟件公司高級戰略總監Tom Maurer說:“智能產品是復雜體系中的系統，需要對多領域模型進行仿真，并對傳感器和邊緣設備進行編譯，才能準確預測性能。”

    “驗證5級自動駕駛系統的性能——如果不是最復雜的話——是當今數字雙胞胎技術最關鍵的應用之一。”如果沒有數字仿真，估計需要超過140億公里的物理測試來驗證性能。

當然這是巨量的測試。給你一個直觀的概念，這大概相當于......開車到冥王星然后再回來。

需要說明的是，當車輛上的每個人都成為乘客時，就實現了5級自動駕駛，不需要人為干預或決策。這實際上是無人駕駛汽車研究的頂點，當然，由于涉及到的所有系統的復雜性，就可以從數字雙胞胎技術中獲益良多。

如前所述，對數字雙胞胎的大規模采用將由大型制造公司主導。

“幾乎所有的行業都可采用某種形式的數字雙胞胎技術,但興趣最大的可能是工業設備(如加熱和冷卻系統、液壓泵送系統等等)和能源行業(如風力渦輪機、石油和天然氣等等),”ANSYS產品開發主管Sameer kh說。

 

“我們看到數字雙胞胎最初應用在高價值領域，以證明部署成本是合理的，”Kher繼續說道。高價值區域可能代表昂貴的設備，如風力渦輪機或停機成本高的系統，如石油和天然氣的泵系統。隨著時間的推移，我們預計數字雙胞胎將滲透到所有產品中——甚至在消費領域。

因此，我們可能會看到電動汽車、智能手機的數字雙胞胎，甚至是我們家里的數字雙胞胎，它們將安全、管道、電力和供暖整合到一個易于訪問的系統中，由各種建筑信息建模(BIM)和產品數據構建而成。數字孿生技術的關鍵賣點之一是，制造商可以將產品和制造數據轉化為有用的資產，以便在雙胞胎中使用。這就是基于模型的設計(MBD)發揮作用的地方。

西門子PLM軟件公司的Maurer說:“我們的客戶在整個產品開發、發布和支持過程中都在重用數字模型和其他開發信息。”“可重用的產品信息從過去的程序經驗發展到1D系統模型，這將優化在生產計劃和生命周期中使用的3D模型。”

 

技術挑戰

 

與任何新興技術一樣，在廣泛采用數字孿生技術之前，還需要克服一些障礙。

Kher說:“仍有一些技術挑戰需要解決，包括共享模型IP、需要對詳細物理模型更快速、更準確地系統級表達，以及與現有的IIoT平臺的連接/部署能力(大規模地)。”

“ANSYS的解決方案作為中立的IIoT平臺。我們即將推出一款新產品，通過允許客戶重用大量現有的IP來構建精確的模型，來幫助解決這些挑戰。通過預制連接器到流行的IIoT平臺和運行時模型生成功能，我們將使數字雙胞胎的連接和部署對客戶來說更加容易。

這些觀點與之前關于基于云的模擬的文章所描述的一致。IP安全是一個令人擔憂的問題，尤其是在處理航空航天等敏感行業時。

西門子觀察到了一系列不同的挑戰。

Maurer說:“對于智能產品和制造業務，我們需要一個全面的數字雙胞胎來支持產品設計、生產和優化。”復雜的產品開發需要跨領域的解決方案來識別和理解其他領域的影響——這是真正的系統模型。這些信息需要通過一個綜合的數字線程來互相連接。而這個數字線程需要連接的不斷發展的虛擬世界，洞悉真實的執行操作，將預測分析和執行結果進行比較，以便在兩個環境中做出明智的決策。

作為一種不斷發展的新興技術，很可能出現我們都沒有預料到的問題。

大多數公司都低估了管理數字雙胞胎的復雜性。其配置將大不相同，并且根據業務模型、目標場景和供應鏈中的位置不斷變化。Aras戰略高級副總裁馬克·林德(Marc Lind)說。

“在很多情況下，企業最終會為不同的產品線和不同的交付客戶價值的方式，提供各種各樣不同的數字雙胞胎配置。”一個公司內數字雙胞胎配置的多樣性意味著數據模型的靈活性、開放性和可升級性，將是成功的關鍵因素。

 

結論

    數字雙胞胎代表了軟件、硬件和基于IoT反饋的完美融合，更重要的是允許用戶在整個產品生命周期中應用3D模型數據。只要把3D模型歸檔，在CAD中設計零件的日子已經一去不復返了。在雙胞胎的中心，可以把以前的啞CAD模型轉換成動態的和有生命力的系統組件。

 

我們采訪的這些公司對數字雙胞胎發展方式和面臨的挑戰有著截然不同的看法。

    西門子(Siemens)等公司認為，由于需要運行一個數字的孿生兄弟來獲得可用計算的靈活性和可拓展性，數字雙胞胎是一個純粹的基于云計算的資產；而ANSYS等公司認為的未來數字雙胞胎是云和邊緣計算的混合。

Aras也將其未來視為兩者的結合。

“數字雙胞胎戰略包括從收集時間序列數據流、傳導模擬、執行分析、管理數字雙胞胎配置等多個方面。”林德說。“在Aras，我們相信數字雙胞胎計劃將在混合場景中利用基于云的資源和現有的數據中心環境。”

在這個問題上，很多公司有不同的觀點，但有一件事是肯定的：數字雙胞胎將會在未來幾年里以不同的解決方案來應對不同的挑戰。

一旦這些大公司掌握了與制造數字雙胞胎相關的技術——例如不可知的物聯網狀態——我們就可以猜想數字雙胞胎的發展會逐漸滲透到消費品中，并達到更高的應用水平。

 如果您想閱讀更多的案例，或者在工業4.0的一般上下文中，了解更多關于數字雙胞胎的信息，這里有來自德勤的一份有趣的報告。

                                                                          圖片來源于德勤

公眾號后臺回復“20180702德勤”獲取報告。

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