什么是数字孪生

今天小枣君要给大家介绍的,是一个听起来就很高大上的概念——数字孪生。

相信很多人都听说过数字孪生。在过去几年,这个词的热度不断攀升,频繁出现在各大峰会论坛的演讲主题之中,备受行业内外的关注。

双向,是指本体和孪生体之间的数据流动可以是双向的。并不是只能本体向孪生体输出数据,孪生体也可以向本体反馈信息。企业可以根据孪生体反馈的信息,对本体采取进一步的行动和干预。

数字孪生起源于工业制造领域。工业制造也是数字孪生的主要战场。

但是,我们还是应该理性看待数字孪生。拥抱数字孪生,既需要深厚的技术沉淀,也需要巨大的资金投入,还需要管理水平和员工技能达到相应的层次。目前这个阶段,国内大部分企业都不具备这个条件。如果盲目跟风、仓促上马,投资很可能会血本无归。相对来说,潜心研究、客观评估、谨慎投入,才是打开数字孪生世界的正确姿势。

当美国空军意识到数字孪生具有很强实用意义的同时,另一家企业也对数字孪生产生了浓厚的兴趣,它就是美国通用电气公司(GE)。

除了“会动”之外,理解数字孪生还需要记住三个关键词,分别是“全生命周期”、“实时/准实时”、“双向”。

看晕了吧?其实,简单来说,数字孪生就是在一个设备或系统的基础上,创造一个数字版的“克隆体”。

阿里的“城市大脑”、“数字平行世界”,还有科大讯飞的“讯飞超脑”,都涉及到智慧城市和数字孪生的结合。

在工程交付之后,还可以在维护阶段评估工程是否可以承担特殊情况的压力。以及监测可能出现的事故隐患。除了上述领域之外,包括医疗、物流、环保等很多场景都适合采用数字孪生技术,应用场景非常广阔。

根据全球知名咨询公司Gartner2019年初的调查,部署物联网的企业和组织中,已有13%应用数字孪生,62%的组织正在准备使用数字孪生。Gartner还将数字孪生列为2019年十大战略性技术趋势。

说到“数字孪生”这个概念的发明者,行业里并没有明确的说法。很多人认为,数字孪生是美国密歇根大学教授Michael Grieves博士于2002年提出的。

美国通用电气公司在为美国国防部提供F-35联合攻击机解决方案的时候,发现了数字孪生体的价值。

分省份看,高技术服务业企业法人单位主要集中在北京、江苏、浙江、山东、河南和广东,上述6省(市)合计的企业法人单位数、从业人员、营业收入、资产总计分别占全国高技术服务业企业法人单位的55.2%、52.8%、59.1%和60.2%。单位数、从业人员最多的地区是广东,分别占全国高技术服务业企业法人单位的16.8%和14.1%;营业收入、资产总计最高的地区是北京,分别占全国高技术服务业企业法人单位的19.1%和28.8%。

(一)信息服务占据高技术服务业近半壁江山

当时,AFRL希望实现战斗机维护工作的数字化,而数字孪生是他们想出来的创新方法。

我们在修建高速公路、桥梁等基础设施前,完成对工程的数字化建模,然后在虚拟的数字空间对工程进行仿真和模拟,评估工程的结构和承受能力,还可以导入流量数据,评估工程是否可以满足投入使用后的需求。

(三)行业劳动生产率稳步提升

除了工业制造之外,数字孪生和5G、智慧城市也有非常密切的关系。

从登记注册类型看,内资企业法人单位在高技术服务业企业法人单位中占绝对优势,其单位数、从业人员占高技术服务业企业法人单位比重超九成,营业收入、资产总计占比超八成。在着力增强自主创新能力的同时,我国也不断扩大高技术服务领域对外开放,完善外商投资管理制度,引导外商投资我国高技术服务业。2018年末,港澳台商投资、外商投资企业法人单位数合计占比虽仅为1.3%,但户均从业人员、户均营业收入和户均资产分别是内资企业的6.5、15.5和14.6倍,显示我国高技术服务业外资企业发展水平较高、实力较强。

这个“克隆体”,也被称为“数字孪生体”。它被创建在信息化平台上,是虚拟的。也许你会说,这不就是电脑上的设计图纸嘛?CAD搞搞不就有了?

说白了,本体的实时状态,还有外界环境条件,都会复现到“孪生体”身上。

前面我们介绍数字孪生概念的时候,其实已经提到了这块的内容。

数字孪生是源自工业界的概念。在工业制造领域,有一个词叫做“产品生命周期管理(PLM)”。相信很多人都听说过。

数字孪生,英文名叫Digital Twin(数字双胞胎),也被称为数字映射、数字镜像。

▲美国通用电气公司(GE)

它的官方定义非常复杂,是这么说的:

一、高技术服务业蓬勃发展

2018年末,高技术服务业企业法人单位的平均劳动生产率达56.6万元/人,较2013年末提高8.8万元/人。从登记注册类型看,高技术服务业企业法人单位中,港澳台商投资、外商投资的劳动生产率明显高于行业平均水平,分别达到128.9万元/人和113.5万元/人,是高技术服务业企业法人单位平均劳动生产率的2.3倍和2.0倍。

采用数字孪生技术,通过对运行数据进行连续采集和智能分析,可以预测维护工作的最佳时间点,也可以提供维护周期的参考依据。数字孪生体也可以提供故障点和故障概率的参考。

近年来,我国通过完善创新创业服务体系建设,促进创新资源向优势区域汇聚,着力培育出一批创新能力强、创业环境好、特色突出的高技术服务业集聚区。

但这种说法并没有书面的文献或资料可以支撑。

只是建了一个数字孪生体,凭什么说它会影响第四次工业革命的发展?它到底能给传统产业带来哪些好处?我们通过案例来解释说明一下。

数字孪生,是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

究竟什么是数字孪生?它是谁提出来的?它会给我们的生活带来什么样的改变?

2018年末,全国从事高技术服务业的企业法人单位216.0万个,较2013年末(2013年为第三次全国经济普查年份,下同)增加157.9万个,增长271.9%;从业人员2063.2万人,增加902.8万人,增长77.8%。高技术服务业企业法人单位数和从业人员的增幅分别高出服务业企业法人单位数和从业人员增幅107.9和25.0个百分点。

2015年左右,中国也开始跟进。当时包括工业4.0研究院在内的多家国内研究机构和企业,纷纷启动了数字孪生相关的研究课题。从那之后,数字孪生这个概念,就开始风靡互联网和产业界,直至今日。

2018年末,京津冀和长江经济带区域集中了全国50%以上的高技术服务业。京津冀区域高技术服务业企业法人单位数、从业人员、营业收入、资产总计占全国高技术服务业企业法人单位的比重分别为16.8%、17.6%、23.3%和32.7%,长江经济带区域占比分别为36.8%、41.3%、43.9%和38.6%。

其实不然。相比于设计图纸,数字孪生体最大的特点在于:它是对实体对象(姑且就称为“本体”吧)的动态仿真。也就是说,数字孪生体是会“动”的。

以美国通用公司为例。他们号称自己已经为每个引擎、每个涡轮、每台核磁共振创造了一个数字孪生体(截至2018年,GE已经拥有120万个数字孪生体)。

二、行业集中态势明显

国内的很多工业科技企业也在数字孪生技术上有所布局,其中包括树根互联、研华科技、软通动力等。

2018年末,全国从事高技术服务业的企业法人单位数和从业人员占全部服务业企业法人单位的比重分别为14.9%和13.7%,较2013年末提高4.3和1.9个百分点,服务业高端化步伐加快。

(二)专业技术服务等

如果需要做系统设计改动,或者想要知道系统在特殊外部条件下的反应,工程师们可以在孪生体上进行“实验”。这样一来,既避免了对本体的影响,也可以提高效率、节约成本。

(一)产业规模迅速扩大,产业比重持续上升

(二)内资企业数量占优,外资企业水平较高

我们知道,5G将开启“万物互联”的时代,它使得人类的连接技术到了前所未有的高度。未来,在5G的支持下,云和端之间可以建立更紧密的连接。这也就意味着,更多的数据将被采集并集中在一起。这些数据,可以帮助构建更强大的数字孪生体。例如,一个数字孪生城市。

然而,这些都没有确凿的文献或影像资料证据。真正有据可查的“数字孪生”概念提出者,是美国空军研究实验室(AFRL,Air Force Research Laboratory)。

不知道大家是否还记得小枣君之前那篇介绍工业4.0的文章?是的,美国通用电气公司,就是美国先进制造战略(美国版的工业4.0)的主要推手。

Michael Grieves博士在2014年发布的文章中,曾经“追溯”自己曾经在2002年密歇根大学PLM中心一次演讲中,提及了类似数字孪生的相关概念。他还“追溯”自己曾经在2003年的一次高管培训上,提出了“物理产品的数字等同体或数字孪生体概念”。

近年来,根据《国务院办公厅关于加快发展高技术服务业的指导意见》(国办发〔2011〕58号)要求,我国在信息技术服务等领域积极开展应用示范,以基础设施升级促进信息服务业务发展。2018年末,高技术服务业8个行业大类中,信息服务的企业法人单位数、从业人员、营业收入和资产总计分别为96.6万个、990.7万人、67487.2亿元和150777.6亿元,分别占全部高技术服务业企业法人单位的44.7%、48.0%、57.8%和48.3%,比重远超其他行业大类。

当时的美国通用,一直在致力于研究工业数字化,以及如何构建工业互联网体系。显然,数字孪生对工业4.0非常有用,可以说是如鱼得水。再后来,德国西门子(德国工业4.0的代表企业)也跟着拥抱了数字孪生,将其奉为至宝。

而实时/准实时,是指本体和孪生体之间,可以建立全面的实时或准实时联系。两者并不是完全独立的,映射关系也具备一定的实时性。

2018年末,高技术服务业企业法人资产总计311873.0亿元,较2013年末增加164229.6亿元,增长111.2%;负债合计157462.1亿元,平均资产负债率50.5%,处于适宜水平;全年高技术服务业企业法人实现营业收入116722.0亿元,占全部服务业企业法人单位的7.7%,较2013年增加61259.1亿元,增长110.5%。

正如前文所说,美国空军提出数字孪生,就是为了帮助更好地维护战斗机。

通过这些拟真的数字化模型,工程师们可以在虚拟空间调试、实验,能够让机器的运行效果达到最佳。

城市的管理者,基于这些数据,以及城市模型,构建数字孪生体,从而更高效地管理城市。相比于工业制造的“产品生命周期”,城市的“生命周期”更长,数字孪生带来的回报更大。当然,城市数字孪生的部署难度也更大。

在数字孪生城市中,基础设施(水、电、气、交通等)的运行状态,市政资源(警力、医疗、消防等)的调配情况,都会通过传感器、摄像头、数字化子系统采集出来,并通过包括5G在内的物联网技术传递到云端。

而且,数字孪生体不是随便乱“动”。它“动”的依据,来自本体的物理设计模型,还有本体上面传感器反馈的数据,以及本体运行的历史数据。

总而言之,数字孪生是一项非常有潜力的前沿技术,会给企业带来丰厚的价值回报。也正因为如此,很多投资机构趁机热炒数字孪生的概念,也有很多企业迫不及待想要拥抱数字孪生。

(二)京津冀、长江经济带高技术服务业集聚

全生命周期,是指数字孪生可以贯穿产品包括设计、开发、制造、服务、维护乃至报废回收的整个周期。它并不仅限于帮助企业把产品更好地造出来,还包括帮助用户更好地使用产品。

3大行业成为高技术服务业重要支柱专业技术服务业的高技术服务、研发与设计服务、科技成果转化服务等3个行业大类的企业法人单位数、从业人员、营业收入和资产总计占高技术服务业企业法人单位的比重在7%—25%之间,虽低于信息服务,但已具有较大规模,成为高技术服务业重要支柱。

三、区域集聚效应突出

数字孪生能够有效提升产品的可靠性和可用性,同时降低产品研发和制造风险。维护阶段,数字孪生也能发挥重要作用。

从区域分布看,东部地区的高技术服务业在全国占明显优势。2018年末,东部地区高技术服务业企业法人单位数、从业人员、营业收入、资产总计分别占全国高技术服务业企业法人单位的63.5%、64.2%、73.4%和74.2%,中部地区占比分别为21.8%、20.4%、14.1%和11.9%,西部地区占比分别为14.6%、15.4%、12.5%和13.9%,东部地区远高于中、西部地区之和。

(一)高技术服务业主要集中在东部地区

事实上,印度海德拉巴、新加坡,还有我们中国的深圳、雄安,都已经在做这方面的摸索和尝试。大量的投资,正在涌向“智慧城市+数字孪生”的应用场景。

在产品研发的过程中,数字孪生可以虚拟构建产品数字化模型,对其进行仿真测试和验证。生产制造时,可以模拟设备的运转,还有参数调整带来的变化。

如今,我们的城市布满了各种各样的传感器、摄像头。借助包括5G在内的物联网技术,这些终端采集的数据可以更快地被提取出来。

基建工程也是数字孪生的一个重要应用领域。尤其是对中国这个“基建狂魔”来说,引入数字孪生意义更加重大。

数字孪生给工业制造带来了显而易见的效率提升和成本下降,使得几乎所有的工业巨头趋之若鹜。

▲生产流程数字孪生模型(图片来自德勤大学出版社)

Author: haberorg.com