什么是Digital Twin？全角度解释何谓数字孪生

工业4.0浪潮之下，新一代产业革命集合多种数字技术，其中包括，数字孪生(Digital Twin)一词最初是由Michael Grieves博士在2002 年提出，而NASA是最早将这项技术用于太空探索任务的公司之一。随着人工智能、AR/VR等技术日渐成熟及普及，数字孪生必然在Web3世代有着重要的角色。

什么是Digital Twin?

数字分身是一种虚拟模型，指的是在虚拟世界之中，将现实中存在的物体或流程做一份Copy — 等同于创建了其「双胞胎」（Twins）。创建数字孪生的作用是从实时数据更新、机器学习和推理来模拟现实世界中的物体或流程可能的发生的反应、状况或是研究其效能等等。

Digital Twin的应用方式

数字孪生综合多项科技与领域，创建一个高度复杂的虚拟模型，与传统的电子辅助设计和工程(CAD/CAE) 模型不同，数字孪生需要有真实的对应物，对应物可以是汽车、建筑物、桥梁等等。这些对应物上放置了传感器，用以收集实时数据，映射到虚拟模型上，让操作人员查看数字孪生时都可以预测到事物在现实世界中的表现，实际上操作起来是一个闭环过程：

1. 从物理对象及其环境中收集数据。
2. 数据被分析并准备好输入Digital Twin。
3. Digital Twin使用新数据实时反映对应物的工作，调校虚拟环境来测试，并找到瓶颈。在这一步可以应用人工智能来调整产品设计及发现不健康的趋势，以防止问题持续及恶化之下高昂的代价。
4. 将结果或问题通过仪表板可视化并呈现。
5. 人员做出数据驱动的决策。
6. 相应地调整对应物的参数、过程或维护计划。

Digital Twin的种类

数字孪生的种类可以级别来区分，每个级别的的数字孪生对于正常运行的流程都同样重要。

1. 组件双胞胎Component Twins / Parts Twins

顾名思义，这是整个系统中单个组件的数字孪生，尤其针对对性能和功能有直接影响的关键组件，用以测试单个部件的稳定性和耐用性，使工程师能够了解零件的物理、机械和电气特性。

2. 资产双胞胎Asset Twins

当两个或多个组件一起工作时，它们就形成了所谓的资产。资产双胞胎演示了这些组件的交互，可以说是组件双胞胎的集合，让操作人员专注于整个系统的协同工作，寻找可以改进的地方。资产双胞胎可以减少实体对象的平均故障间隔时间(MTBF)和平均修复时间(MTTR)，有效提高性能。

3. 系统双胞胎／ 单元双胞胎System Or Unit Twins

不同的资产组合在一起可以形成一个完整的功能系统，而系统双胞胎是一个更高级别数字孪生，结合了多个资产双胞胎，让工程师操作和维护整个产品系列。

4.流程双胞胎Process Twins

脱离物理对象，数字孪生亦可以应用于运作流程。在整个生产过程中，有可能有组件生产过快的情况，导致某些单个零件过剩，引致更高的高存储及物流成本。过程数字孪生展示了系统是否都同步以最高效率运行，有助优化产品生产的过程，让企业以数据驱动方式监控业务发展。

Digital Twin应用例子

并非对所有企业都适用虚拟建模，因为其开发成本非常高昂。

汽车行业－ Tesla 远程诊断

Tesla生产的每辆新车都有自己的Digital Twin。嵌入在车辆中的传感器不断将有关环境和性能的数据传输到虚拟副本，并交予人工智能分析，确保汽车可以最佳性能运作。通过这种方式，Tesla可以根据不同的气候条件调整车辆配置及提供远程诊断，从根本上提高其性能，从大大减少客人到访服务中心的需求。

航空业－ 美国通用电气制定维护时间表

世界上有70% 的飞机使用通用电气(General Electric Company) 生产的引擎。这所来自美国的跨国企业对数百万乘客的安全负有部分责任。为了预测飞机的引擎随着时间的推移而退化，GE为其引擎GE90 创建了一个Digital Twin，为远程波音777服务。

GE针对了引擎风扇叶片来创建数字孪生，原因是恶劣环境的影响下风扇叶片较容易剥落，尤其在沙尘滚滚的中东地区尤其有效。Digital Twin有助于在出现任何问题之前制定正确的维护时间。

能源发电－ Siemens 西门子预测燃气轮机的性能

作为欧洲最大的工业制造公司和Digital Twin的先驱，Siemens开发了燃气轮机和压缩机业务的虚拟副本，并称之为ATOM（Agent-Based Turbine Operations and Maintenance），代表其涡轮机机队的生产和服务，跨越供应链运营。ATOM 消化多源实时数据，通过运行不同的假设情景，对整个涡轮机的性能指标、维护操作和物流步骤进行全面模拟演示，并将其结果可视化，帮助公司做出更好的投资决策。

城市规划－ 创建建筑物轮廓以减少能源消耗

美国橡树岭国家实验室开发的AutoBEM可以为任何建筑物生成Digital Twin，依靠卫星图像、街景、光探测和测距(LIDAR)、原型建筑和标准建筑规范等信息来生成建筑物的虚拟双胞胎，双胞胎反映了所有关键的外部和内部特征，包括建筑物的高度、大小和类型、窗户和地板的数量、建筑围护结构材料、屋顶类型、加热、通风和冷却系统等等。AutoBEM可以预测要实施哪些技术来节省能源。这包括现代热水器、智能恒温器、太阳能电池板等。

模拟供应链－ Google 可见式物流

2021 年9 月，Google推出了一项新服务，使公司能够创建其物理供应链的Digital Twin，而这服务对零售行业、医疗保健、制造和汽车行业的组织尤其友好，它将来自来源信息聚合到一个地方，帮助客户全面而清晰地了解他们的物流情况。Google指出以前需要两个小时才能完成的任务现在只需几分钟。

采用Digital Twin技术的好处

1. 共享数据

使用Digital Twin的主要好处之一是可以跨部门、跨组织地共享数据。传统上，不同部门需要各自收集并存储数据在自己的存储库中，但Digital Twin可以使用代理来收集来自传感器和其他来源的数据，大家可以看着同一个副本，以不用角度、规模去寻找需要的资讯。

2. 实时管理运营

Digital Twin不仅仅是根据历史数据提供见解，它通过提供实时的、可见的预测来得到对业务有利的见解，企业亦因此可以有更快、更有效的决策。

3. 进行模拟和实验

Digital Twin提供了进行模拟的机制，突破了物理上及资源上的限制，可以短时间模拟多个可能性，确保产品或流程呈现最佳效果。

4. 提高系统可信度

Digital Twin帮助企业识别系统中的任何盲点，提高系统的可信度安全性、可靠性。

5. 跨职能团队合作

一个产品的开发和维护有赖各个部门合作，将数据可视化可以，实现跨部门协作，通过提供对实体外观的共同理解共同努力改善运营。

Digital Twin与区块链的关系

区块链被评为 Gartner 2019 年十大战略技术趋势之一，随着我们进入Web3 世代，这项技术更常出现在工业环境中。

将Digital Twin数据存储在Blockchain上

保存以下是将Digital Twin存储Blockchain上的好处：

• 信息不是由中央组织集中管理
• 记录是不可变的，并需要验证
• 信息无缝传输，保持数据完整性

当资产的所有权有变动时，例如子公司被收购，将Digital Twin存储Blockchain上可以简化这一转移过程，并保存多个法定记录，在这种情况下，政府机构、认证机构和工厂设备的所有者/运营商可以相信没有人篡改记录。

智能合约与Digital Twin

当事情牵涉多个实体的交互时，智能合约就是Digital Twin的新兴机会，人工智能可以应用分析数据以决定何时以及如何执行智能合约，为多个物理实体的制定交互情景。

Digital Twin的普及化和未来

数字孪生透过了解不断变化的客户偏好、定制和体验，为不少大企业保持领先地位，但成功的例子少之又少，Digital Twin创作的复杂性是罪魁祸首，而且这技术缺乏行业标准，限制了供应商的平台和应用程序之间的通信和数据交换。

虽然Microsoft、GE Digital 和Dell在内的越来越多的技术领导者已成为Digital Twin联盟的一部分，但如果没有明确的技术指导和商定的框架，Digital Twin普及化将很难实现。