数字双胞胎：我们身在何方？
数字双胞胎的概念并不是个新鲜词儿。但就像工业4.0的许多事务一样，数字双胞胎的出现越来越频繁，这是技术融合的结果。
多亏了云计算、物联网(IoT)、先进的模拟和大量的计算，数字双胞胎无疑是一种需要关注的新兴技术，业界正花费大量资金来跟上其发展。
在本文中，我们将介绍数字双胞胎的基础知识，并与参与数字双胞胎开发的不同公司的专家进行交流，以了解这项技术目前的地位。
涡扇发动机数字双胞胎。(图片由ANSYS提供)。
数字双胞胎101
数字双胞胎是指真实系统的虚拟化展现（往往是三维的）。
在虚拟同胞和与之匹配的现实同胞之间有一个数据流，通过现实系统上的传感器，虚拟同胞系统会被更新，这样现实系统的状态就可以被实时监控。这个过程不仅仅是对真实系统的状态更新。可以对虚拟系统进行编程，以运行假设的场景，从而获取最佳参数。
通常，数字双胞胎包含不同的层，每个虚拟层代表一个等效的物理层。这些层可以包括物理、材料、结构、电子、流体等。
只要系统能被测量，就可以在数字双胞胎中建模，并且从真实的系统中获取的数据越多，数字副本就会越强大和准确。我们在大数据和云时代捕捉、处理和模拟的能力使这一切成为可能。数字双胞胎正是工业4.0的产物。
无论是事后诊断或者事前预测，我们可以从数字双胞胎获得许多信息。这些信息可以用来减少停机时间和增加投资回报。它甚至可以从实际的生命服务周期追溯到产品开发阶段，从而在一个封闭的产品全生命周期内，使未来的产品持续优化成为可能。最后一点是IoT驱动的产品开发中的一个共同主题。在过去，产品开发通常在产品交付给客户时就结束了。
数字双胞胎概览(图片由德勤提供)
那种时代已经一去不复返了，产品反馈的内容远远超出了本身的服务信息。随着产品效率的增长，它的双胞胎也在成长，反之亦然。数字双胞胎可以用作沙盒，来测试新的想法，这些想法可以为现实生活中它的同伴提供信息。现实中的同伴也可以它的数字双胞胎。数据流是一个真实的双向过程，数字版本和硬件可以一起发展。
“数字双胞胎为现实世界创造了一种身临其境、精确的数字表达方式，提供了一种与现实世界互动的新方式。”Autodesk高级研究工程师希瑟·克里克(Heather Kerrick)说。
“我们探索数字双胞胎作为硬件的编程环境，比如六轴机械臂,除了监控设备本身,用户可以在数字双胞胎上积极地对修改他们的设备和流程，然后看到这些变化反映在物理双胞胎身上。”
万能的双胞胎
根据行业和应用案例，数字双胞胎可以有多种形式。
例如，生产线可以有一个显示状态的数字双胞胎，它可以连接到任何显示故障的支线和传输线。同样的数字双胞胎甚至可以连接到有限元分析平台，可以显示产品设计的变化如何影响设备的实际运行和效率。
在最极端的情况下，生产线可能在组装战斗机，每一个有形的部件和系统都被镜像成一个三维模型。想知道为什么起落架卡住了吗?只要点击模型上的起落架，它就会放大成一个子系统。可以继续放大，直到你发现问题。想在飞机上测试一些新的控制界面吗?只需将它们添加到数字双胞胎中并进行模拟。
或者我们举荷兰的一座3D打印的桥为例。在Autodesk的帮助下，MX3D公司设计了这座桥。桥的原型和最终版本都有数字双胞胎，用于不同的目的。
“我们的“智能桥”原型在Autodesk的Pier 9技术中心有一个有效的数字双胞胎,是基于Revit模型，这是一个简单的结构,因此不需要捕捉竣工模型构建数字双胞胎。“Alec Shuldiner说,他是Autodesk的物联网研究员，作为项目经理负责与MX3D的合作。
“这是用来显示传感器位置的，通过Autodesk的项目Dasher 360，近似实时的数据是由这些传感器产生的。在传感器数据的基础上，我们使用机器学习算法让生成智能。当然目前还没有显示数字双胞胎中的智能属性(比如占用数量)。在未来，我们将升级数字双胞胎，不仅显示数据流，还显示机器语言输出。”
“最终版的桥已经基本完成，但传感器网络还没有组装或开始应用，”舒尔纳继续说道。“我们预期今年晚些时候推出与数字双胞胎相同的位置传感器，是源于桥设计时本身已经加载的。这些传感器生成的实时数据流,基于机器语言的智能来源于这些数据流,包括总体结构实时状态，还有一个重要的例外:数字模型的基础是将竣工的大桥扫描的数据(这是必要的,因为竣工和设计会有显著偏差)。”
正如您所看到的，数字双胞胎对所有人来说都是适用的，它们的应用程序会根据行业和具体情况不同。可以在双胞胎中显示的数据归根结底取决于双胞胎设计者的聪明才智，以及需要测量的是什么。如果能被测量，就能被管理。正是这种通过有效的产品生命周期管理而增加的洞察力，使数字双胞胎成为一个有吸引力的提议。
PLM解决方案副总裁Francois Lamy说:“物理资产与数字定义的融合将会在整个组织中产生乘数效应:从新产品设计到商业模式，最终可以得到更好的工程决策、提高效率和可靠性。”
“通过分析产品在现实世界中的使用情况，制造商能够做出更好的决策，改进产品，更好地营销和销售。”从设计、制造到现场的产品数字记录将提供一个巨大的机会，通过未来的销售、召回或升级来提高盈利能力。
“然而，”Lamy继续说道，“制造商们需要在实现数字双胞胎之前，先通过智能的、联网的产品开发过程来管理和理解数据。”通过在数字产品定义中组织产品数据，提前设计具有互联能力的产品，并确保在整个产品生命周期中都有一个数字线程，制造商可以采取下一步以实现一个完整的数字双胞胎。
我们现在进展到什么程度
市场分析巨头高德纳(Gartner)将“数字双胞胎”(digital twin)列为2018年十大战略技术趋势之一。因此，数字双胞胎在2017年毫无疑问地进入了Gartner定义的新兴技术炒作周期。
Gartner定义的2017年新兴技术炒作周期。（图片来自Gartner）
正如你从Gartner炒作循环图中看到的，数字双胞胎目前处于创新触发阶段，这意味着低使用率，目前主要局限于研究机构和公司的研发部门。图表显示，这项技术将在5到10年内达到被广泛应用生产当中。Gartner估计目前有1- 5%的产品有数字双胞胎。
据Gartner最近的一项调查显示，48%的企业目前正在使用物联网技术，并计划在2018年实现数字双胞胎技术。据Gartner的数据，拥有超过50亿美元资产的制造商中，有50%将在2020年之前推出至少一项针对产品或资产的数字双生计划。
这说明什么?好吧，它告诉我们，数字双胞胎是一种新兴的技术，已经引发了制造商的无限想象，但它还没有准备好进入主要阶段。然而，当它准备好黄金时段时，我们可以预计，这笔费用将由真正有资金投资其开发的高端制造企业承担。大公司将承担早期采用的风险，因为他们将是从中获益最多的公司。
复杂系统的镜像
数字双胞胎概念架构（图片来源于德勤）
现在我们知道了数字双胞胎是什么，那么就数字双胞胎技术而言，我们目前处于何种技术阶段?
西门子PLM软件公司高级战略总监Tom Maurer说:“智能产品是复杂体系中的系统，需要对多领域模型进行仿真，并对传感器和边缘设备进行编译，才能准确预测性能。”
“验证5级自动驾驶系统的性能——如果不是最复杂的话——是当今数字双胞胎技术最关键的应用之一。”如果没有数字仿真，估计需要超过140亿公里的物理测试来验证性能。
当然这是巨量的测试。给你一个直观的概念，这大概相当于......开车到冥王星然后再回来。
需要说明的是，当车辆上的每个人都成为乘客时，就实现了5级自动驾驶，不需要人为干预或决策。这实际上是无人驾驶汽车研究的顶点，当然，由于涉及到的所有系统的复杂性，就可以从数字双胞胎技术中获益良多。
如前所述，对数字双胞胎的大规模采用将由大型制造公司主导。
“几乎所有的行业都可采用某种形式的数字双胞胎技术,但兴趣最大的可能是工业设备(如加热和冷却系统、液压泵送系统等等)和能源行业(如风力涡轮机、石油和天然气等等),”ANSYS产品开发主管Sameer kh说。
“我们看到数字双胞胎最初应用在高价值领域，以证明部署成本是合理的，”Kher继续说道。高价值区域可能代表昂贵的设备，如风力涡轮机或停机成本高的系统，如石油和天然气的泵系统。随着时间的推移，我们预计数字双胞胎将渗透到所有产品中——甚至在消费领域。
因此，我们可能会看到电动汽车、智能手机的数字双胞胎，甚至是我们家里的数字双胞胎，它们将安全、管道、电力和供暖整合到一个易于访问的系统中，由各种建筑信息建模(BIM)和产品数据构建而成。数字孪生技术的关键卖点之一是，制造商可以将产品和制造数据转化为有用的资产，以便在双胞胎中使用。这就是基于模型的设计(MBD)发挥作用的地方。
西门子PLM软件公司的Maurer说:“我们的客户在整个产品开发、发布和支持过程中都在重用数字模型和其他开发信息。”“可重用的产品信息从过去的程序经验发展到1D系统模型，这将优化在生产计划和生命周期中使用的3D模型。”
技术挑战
与任何新兴技术一样，在广泛采用数字孪生技术之前，还需要克服一些障碍。
Kher说:“仍有一些技术挑战需要解决，包括共享模型IP、需要对详细物理模型更快速、更准确地系统级表达，以及与现有的IIoT平台的连接/部署能力(大规模地)。”
“ANSYS的解决方案作为中立的IIoT平台。我们即将推出一款新产品，通过允许客户重用大量现有的IP来构建精确的模型，来帮助解决这些挑战。通过预制连接器到流行的IIoT平台和运行时模型生成功能，我们将使数字双胞胎的连接和部署对客户来说更加容易。
这些观点与之前关于基于云的模拟的文章所描述的一致。IP安全是一个令人担忧的问题，尤其是在处理航空航天等敏感行业时。
西门子观察到了一系列不同的挑战。
Maurer说:“对于智能产品和制造业务，我们需要一个全面的数字双胞胎来支持产品设计、生产和优化。”复杂的产品开发需要跨领域的解决方案来识别和理解其他领域的影响——这是真正的系统模型。这些信息需要通过一个综合的数字线程来互相连接。而这个数字线程需要连接的不断发展的虚拟世界，洞悉真实的执行操作，将预测分析和执行结果进行比较，以便在两个环境中做出明智的决策。
作为一种不断发展的新兴技术，很可能出现我们都没有预料到的问题。
大多数公司都低估了管理数字双胞胎的复杂性。其配置将大不相同，并且根据业务模型、目标场景和供应链中的位置不断变化。Aras战略高级副总裁马克·林德(Marc Lind)说。
“在很多情况下，企业最终会为不同的产品线和不同的交付客户价值的方式，提供各种各样不同的数字双胞胎配置。”一个公司内数字双胞胎配置的多样性意味着数据模型的灵活性、开放性和可升级性，将是成功的关键因素。
结论
数字双胞胎代表了软件、硬件和基于IoT反馈的完美融合，更重要的是允许用户在整个产品生命周期中应用3D模型数据。只要把3D模型归档，在CAD中设计零件的日子已经一去不复返了。在双胞胎的中心，可以把以前的哑CAD模型转换成动态的和有生命力的系统组件。
我们采访的这些公司对数字双胞胎发展方式和面临的挑战有着截然不同的看法。
西门子(Siemens)等公司认为，由于需要运行一个数字的孪生兄弟来获得可用计算的灵活性和可拓展性，数字双胞胎是一个纯粹的基于云计算的资产；而ANSYS等公司认为的未来数字双胞胎是云和边缘计算的混合。
Aras也将其未来视为两者的结合。
“数字双胞胎战略包括从收集时间序列数据流、传导模拟、执行分析、管理数字双胞胎配置等多个方面。”林德说。“在Aras，我们相信数字双胞胎计划将在混合场景中利用基于云的资源和现有的数据中心环境。”
在这个问题上，很多公司有不同的观点，但有一件事是肯定的：数字双胞胎将会在未来几年里以不同的解决方案来应对不同的挑战。
一旦这些大公司掌握了与制造数字双胞胎相关的技术——例如不可知的物联网状态——我们就可以猜想数字双胞胎的发展会逐渐渗透到消费品中，并达到更高的应用水平。
如果您想阅读更多的案例，或者在工业4.0的一般上下文中，了解更多关于数字双胞胎的信息，这里有来自德勤的一份有趣的报告。
图片来源于德勤
