? ? ? ?數(shù)字孿生在生命周期的不同階段引入不同的要素，形成了不同階段的表現(xiàn)形態(tài)。數(shù)字孿生的核心價(jià)值之一是縮短產(chǎn)品的測(cè)試與驗(yàn)證周期，并大幅降低驗(yàn)證成本。數(shù)字孿生的應(yīng)用價(jià)值還體現(xiàn)在對(duì)“昂貴的”、“脆弱的”目標(biāo)對(duì)象的仿真模擬，以提供經(jīng)濟(jì)、高效的解決方案。

? ? ? ?數(shù)字孿生與傳統(tǒng)的模型、軟件，最大的不同在于，它是自生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)模型，具有互操作性、可擴(kuò)展性、實(shí)時(shí)性、保真性和閉環(huán)性五大特征。

? ? ? ?數(shù)字孿生技術(shù)在2017年到2019年，連續(xù)三年入選Gartner十大戰(zhàn)略技術(shù)，預(yù)計(jì)未來(lái)五年將跨越新型技術(shù)成熟度曲線的低谷達(dá)到成熟應(yīng)用的平臺(tái)期。得益于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生實(shí)施的基礎(chǔ)條件日益完善，也收獲了一些行業(yè)應(yīng)用。

? ? ? ?數(shù)字孿生價(jià)值的本質(zhì)是數(shù)據(jù)價(jià)值，通過(guò)建立在海量數(shù)據(jù)之上的高級(jí)數(shù)據(jù)分析能力，挖掘數(shù)據(jù)中的潛在價(jià)值，建立起物理實(shí)體的數(shù)據(jù)模型，能夠拓展我們對(duì)物理實(shí)體認(rèn)知的邊界和維度，更好地認(rèn)知世界的潛在規(guī)律，通過(guò)智能應(yīng)用實(shí)現(xiàn)其價(jià)值，從而為決策提供有力支撐。

? ? ? ?在理想狀態(tài)下，數(shù)字孿生所實(shí)現(xiàn)的映射和同步狀態(tài)應(yīng)覆蓋孿生對(duì)象從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)到報(bào)廢的全生命周期，數(shù)字孿生體應(yīng)隨孿生對(duì)象的生命周期進(jìn)程不斷演進(jìn)更新。美國(guó)《航空周報(bào)》曾經(jīng)預(yù)測(cè)：到2035年，航空公司接收一架飛機(jī)的同時(shí)還將收到一套數(shù)字飛機(jī)，這套數(shù)字飛機(jī)包含真飛機(jī)的每一個(gè)部件，每一個(gè)結(jié)構(gòu)，并且伴隨著真飛機(jī)的每一次飛行而老化。

? ? ? ?數(shù)字孿生能力的五個(gè)層次

? ? ? ?數(shù)字孿生的主要能力包含展示、診斷、驗(yàn)證、預(yù)測(cè)、決策等五個(gè)層次。

• 展示是最基本的呈現(xiàn)功能；
• 診斷和驗(yàn)證用于發(fā)現(xiàn)當(dāng)前狀態(tài)存在的問(wèn)題；
• 預(yù)測(cè)用于面向未來(lái)的發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)；
• 決策指通過(guò)數(shù)字孿生對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行控制。

? ? ? ?建立數(shù)字孿生體的最終目的，是通過(guò)描述物理實(shí)體的內(nèi)在機(jī)理，分析規(guī)律、洞察趨勢(shì)，基于分析與仿真對(duì)物理世界形成優(yōu)化指令或策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體決策優(yōu)化功能的閉環(huán)。決策是數(shù)字孿生最高級(jí)別的能力，目前來(lái)看實(shí)際應(yīng)用還很少。

? ? ? ?數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值

? ? ? ?數(shù)字孿生在生命周期的不同階段引入不同的要素，形成了不同階段的表現(xiàn)形態(tài)。

? ? ? ?在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和測(cè)試階段，利用數(shù)字孿生可以進(jìn)行設(shè)計(jì)的建模、模擬和仿真，提前驗(yàn)證產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境中的性能，一方面可以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)程度，另一方面可以在設(shè)計(jì)階段驗(yàn)證產(chǎn)品在外部環(huán)境下的性能和表現(xiàn)，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量，加速產(chǎn)品上市的周期。

? ? ? ?例如，美的運(yùn)用工業(yè)仿真和數(shù)字孿生技術(shù)在內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了高效的三維數(shù)字驗(yàn)證;在自動(dòng)駕駛測(cè)試場(chǎng)景，可以通過(guò)錄制路譜，將路譜集成到測(cè)試場(chǎng)景中，搭配人機(jī)交互插件、碰撞模擬插件以及系統(tǒng)仿真插件，收集車(chē)輛的數(shù)字孿生體在不同路況下、不同環(huán)境下的固定運(yùn)行數(shù)據(jù)或虛擬駕駛數(shù)據(jù)。

? ? ? ?縮短產(chǎn)品的測(cè)試與驗(yàn)證周期、降低成本

? ? ? ?數(shù)字孿生的核心價(jià)值之一是縮短產(chǎn)品的測(cè)試與驗(yàn)證周期，并大幅降低驗(yàn)證成本。

? ? ? ?以自動(dòng)駕駛車(chē)輛為例，“落地應(yīng)用難”是自動(dòng)駕駛技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)階段的主要問(wèn)題。2018年3月，美國(guó)一輛Uber自動(dòng)駕駛車(chē)輛在測(cè)試的過(guò)程中，撞倒一名路人并致其死亡。這是世界首例無(wú)人駕駛車(chē)輛致行人死亡事故，給整個(gè)自動(dòng)駕駛行業(yè)帶來(lái)了很大打擊。

? ? ? ?當(dāng)車(chē)輛裝配越來(lái)越多的主動(dòng)安全控制器后，這些控制器會(huì)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行不同程度的干預(yù)，一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤就可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果，因此需要對(duì)控制器及整車(chē)的整體性能進(jìn)行充分的測(cè)試。如何高效可信地對(duì)自動(dòng)駕駛車(chē)輛進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)成為自動(dòng)駕駛車(chē)輛能否安全上路的關(guān)鍵。

? ? ? ?自動(dòng)駕駛在真實(shí)道路中的測(cè)試自然必不可少，而在仿真測(cè)試環(huán)境中的里程積累更是至關(guān)重要。德國(guó)慕尼黑聯(lián)邦國(guó)防軍大學(xué)和我國(guó)的清華大學(xué)都已經(jīng)建立了基于場(chǎng)景庫(kù)的自動(dòng)駕駛測(cè)試體系，他們提出的自動(dòng)駕駛數(shù)字孿生測(cè)試VRIL(Virtual Reality in theLoop)概念，其實(shí)是真實(shí)的車(chē)輛行駛在真實(shí)的測(cè)試場(chǎng)地中，同時(shí)映射到虛擬的測(cè)試環(huán)境中，通過(guò)虛、實(shí)狀態(tài)的同步，完成整車(chē)閉環(huán)實(shí)時(shí)仿真測(cè)試。

? ? ? ?結(jié)合場(chǎng)景庫(kù)數(shù)據(jù)，可以快速的設(shè)置貼近真實(shí)交通環(huán)境的測(cè)試條件，有效提升測(cè)試的效率與真實(shí)度。

? ? ? ?自動(dòng)駕駛數(shù)字孿生測(cè)試具有諸多優(yōu)勢(shì)，例如：

? ? ? ?相比單個(gè)控制器硬件在環(huán)測(cè)試，VRIL可以測(cè)試車(chē)輛整體的性能與執(zhí)行效果；

? ? ? ?無(wú)需建立需要轉(zhuǎn)轂設(shè)備的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，成本更低；

? ? ? ?可以快速便捷地重現(xiàn)危險(xiǎn)事故場(chǎng)景與關(guān)鍵測(cè)試場(chǎng)景，且沒(méi)有碰撞危險(xiǎn)，安全、高效、低成本；

? ? ? ?結(jié)合5G、V2X等技術(shù)可對(duì)真實(shí)交通流進(jìn)行數(shù)字孿生，將測(cè)試車(chē)輛置于實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)虛擬交通流中進(jìn)行測(cè)試。

? ? ? ?以上優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)出了數(shù)字孿生解決全局性、高復(fù)雜度問(wèn)題的能力。

? ? ? ?為幫助自動(dòng)駕駛汽車(chē)更為便捷高效的開(kāi)展測(cè)試驗(yàn)證，清華大學(xué)蘇州汽車(chē)研究院對(duì)數(shù)字孿生測(cè)試的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，基于自主研發(fā)的場(chǎng)景庫(kù)打通了數(shù)字孿生測(cè)試的技術(shù)鏈路。例如，針對(duì)靜止障礙物的自車(chē)?yán)@障避行、左側(cè)車(chē)道車(chē)輛切入時(shí)的自車(chē)制動(dòng)、盲區(qū)行人橫穿與行人發(fā)生碰撞等場(chǎng)景。

? ? ? ?此外，寶馬、標(biāo)志等車(chē)企也已經(jīng)展開(kāi)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用探索，將其用于ADAS以及自動(dòng)泊車(chē)功能的測(cè)試。

? ? ? ?通過(guò)仿真模擬提供經(jīng)濟(jì)高效的解決方案

? ? ? ?數(shù)字孿生的應(yīng)用價(jià)值還體現(xiàn)在對(duì)“昂貴的”、“脆弱的”目標(biāo)對(duì)象的仿真模擬，以提供經(jīng)濟(jì)、高效的解決方案。

? ? ? ?例如，達(dá)索“生命心臟項(xiàng)目”(LHP)通過(guò)生物技術(shù)傳感器和掃描技術(shù)，為人類(lèi)心臟建立具有電和肌肉特性的個(gè)性化全尺寸心臟數(shù)字孿生模型，可以模擬真實(shí)心臟的行為。它不僅可以支持各種手術(shù)操作以及運(yùn)行假設(shè)，而且可以對(duì)心臟進(jìn)行虛擬分析，以便在疾病發(fā)生前提出預(yù)警，為心臟病患者提供護(hù)理。

? ? ? ?Ansys通過(guò)開(kāi)發(fā)患者定制的人類(lèi)心臟數(shù)字孿生體，用于規(guī)劃治療并指導(dǎo)醫(yī)療程序，從而徹底改變潛在致命性心律不齊的治療方法。該數(shù)字孿生的關(guān)鍵組成部分是Ansys的降階模型(ROM)，這是高保真模型的簡(jiǎn)化版，能夠在加快計(jì)算速度的同時(shí)最大限度提高預(yù)測(cè)精度。仿真完整模型可能要花費(fèi)數(shù)小時(shí)，而ROM可顯著加快該過(guò)程，讓心臟病專家能夠?qū)崟r(shí)查看結(jié)果。

? ? ? ?數(shù)字孿生在醫(yī)療行業(yè)的深度應(yīng)用有望實(shí)現(xiàn)患者定制醫(yī)療的轉(zhuǎn)型。通過(guò)開(kāi)發(fā)人類(lèi)心臟的數(shù)字孿生，為外科醫(yī)生提供寶貴的患者信息，可以縮短消融手術(shù)的時(shí)長(zhǎng)并提高保真度。

? ? ? ?數(shù)字孿生在醫(yī)療保健行業(yè)的重要作用還包括：

? ? ? ?通過(guò)模擬侵入性臨床程序，預(yù)測(cè)任何特定治療程序的多種結(jié)果；

? ? ? ?結(jié)合智能可穿戴設(shè)備為云中的數(shù)字孿生提供實(shí)時(shí)健康數(shù)據(jù)，為患者檢測(cè)某些癥狀；

? ? ? ?通過(guò)不同條件下在不同患者身上運(yùn)行模擬，提高醫(yī)療保健設(shè)備的性能；

? ? ? ?利用數(shù)字孿生技術(shù)還可以改善醫(yī)療設(shè)備的設(shè)計(jì)，例如“數(shù)字雙肺”模型，能夠幫助臨床醫(yī)生預(yù)測(cè)新冠肺炎患者的通氣需求；

? ? ? ?將數(shù)字孿生用于臨床試驗(yàn)，探索各種藥物靶標(biāo)的有效性，能夠幫助進(jìn)行藥物開(kāi)發(fā)和劑量?jī)?yōu)化，或可破解臨床實(shí)驗(yàn)成本高、耗時(shí)長(zhǎng)、效率低下的問(wèn)題；

? ? ? ?數(shù)字孿生技術(shù)可以使用電子病歷、疾病注冊(cè)庫(kù)和可穿戴設(shè)備等數(shù)據(jù)來(lái)創(chuàng)建患者的“數(shù)字模型”，醫(yī)護(hù)人員可以按需調(diào)取和查看患者的數(shù)據(jù)并提供更好的護(hù)理服務(wù)；

? ? ? ?在醫(yī)療教學(xué)與實(shí)驗(yàn)方面，可進(jìn)行醫(yī)療培訓(xùn)或虛擬手術(shù)，提升醫(yī)護(hù)人員的技能水平。

? ? ? ?展望未來(lái)

? ? ? ?回顧剛剛過(guò)去的2021年，數(shù)字孿生的落地應(yīng)用情況以分立的單場(chǎng)景應(yīng)用及精細(xì)化為主，而對(duì)于全生命周期優(yōu)化及復(fù)雜場(chǎng)景的賦能不足，發(fā)展水平及成熟度處于較初級(jí)的階段。

? ? ? ?數(shù)字孿生不是單純的一種技術(shù)，而是多種技術(shù)的融合應(yīng)用，數(shù)字孿生的發(fā)展與人工智能技術(shù)密切相關(guān)。當(dāng)前，人工智能技術(shù)處于快速發(fā)展階段，當(dāng)數(shù)據(jù)、算法和算力三大要素取得積累和突破，超人工智能+工廠級(jí)的數(shù)字孿生，將從單體(單產(chǎn)線)最優(yōu)演進(jìn)為工廠級(jí)的整體最有，可以解決人腦不能解決的那些問(wèn)題，應(yīng)用前景不可限量。

? ? ? ?以工業(yè)領(lǐng)域?yàn)槔瑪?shù)字工業(yè)相比傳統(tǒng)工業(yè)，更強(qiáng)調(diào)建模與仿真、強(qiáng)調(diào)虛實(shí)融合、強(qiáng)調(diào)對(duì)工業(yè)知識(shí)的數(shù)字化表達(dá)與應(yīng)用，人工智能需要結(jié)合工業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字孿生模型的自動(dòng)學(xué)習(xí)和自動(dòng)進(jìn)化。