摘要
數字孿生是一種多維動態的數字映射，可大幅提高效能。數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成對現實體的複製（映射），從而反映物理實體的全生命周期過程。數字孿生以數字化方式為物理對象創建虛擬模型，進而模擬其在現實環境中的行為；通過搭建和整合製造流程的虛擬生產系統，實現從產品設計、生產計劃到製造執行的生產全過程數字化，將產品創新能力、製造效率和有效性水準提升到全新高度。
數字孿生應用場景龐大，彰顯獨特價值。數字孿生應用非常豐富。將數字孿生應用於生產流程則能夠事半功倍，提前預見問題並幫助解決；將數字孿生技術應用到智慧城市管理上，會讓城市更安全，包括街道、社區、娛樂、商業，甚至是電力線、變電站、汙水系統、供水排水系統等，都會有數字孿生體，從而更輕鬆便捷地監控管理城市的每個地方；將數字孿生技術用在大腦研究上，還可以幫助治療腦部疾病患者。在數字時代的未來，數字孿生將完全改變我們發現、認知和改造世界的方式，在未來世界大有可為。
數字孿生，5G應用落地強風口。數字孿生是5G賦能產業鏈上的重要一環。數字孿生作為5G衍生應用，加速了物聯網的成型和物聯網設備數字化，這與5G三大場景之一的萬物互聯需求強耦合。此外，數字孿生還是5G推動工業互聯網發展的助燃劑，5G時代數字孿生不可或缺。
正文
1. 揭秘數字孿生，不僅僅是複製
1.1. 數字孿生，數字形式的雙胞胎
孿生，即雙胞胎；數字孿生，顧名思義，就是數字形式的雙胞胎。在“數字孿生”中，一個是存在於現實世界的實體，它小到一個零件，大到一個工廠、城市，簡單如一個螺絲，複雜如人體的結構；而另一個是虛擬的、數字化的，是利用數字化技術營造的與現實世界對稱的數字化鏡像。這個數字孿生體，不僅是對現實實體的虛擬再現，還可以模擬對象在現實環境中的行為。
如果以家用電腦為例，Word文檔和列印出來的文稿就是“數字孿生”。以導航軟體為例，城市中的實體道路和軟體中的虛擬道路也是“數字孿生”。
圖 1：數字孿生技術產生的汽車3D模型
數據來源：“數字孿生城市”白皮書，國泰君安證券研究
1.2. 數字孿生下，物理世界與數字世界的互動
數字孿生是將物理對象以數字化方式在虛擬空間呈現，模擬其在現實環境中的行為特徵。由於二者形成了一個閉環的互動，現實與虛擬之間的鴻溝不再。在物理世界與數字世界的互動過程中，有五大支持和驅動要素，分別是物理世界的傳感器和促動器、集成、數據和分析，以及持續更新的數字孿生應用程序。
圖 2：生產流程的數字孿生模型
數據來源：德勤大學出版社
圖2中呈現了在數字孿生中從物理世界到數字世界再回到物理世界的過程。這一過程涉及到傳感器、促動器、數據、集成、分析這些要素。其中，傳感器負責發出信號，數字孿生通過這些信號獲取與實際流程相關的運營和環境數據；數字孿生涉及到達數據除了傳感器信號提供的數據，還包括企業數據（如物料清單、企業系統、設計規範）、工程圖紙、外部數據源連接以及客戶投訴記錄等；集成是指傳感器借助集成技術（如邊緣計算、通信接口和安全）達成物理世界與數字世界之間的數據傳輸；分析是指數字孿生利用分析技術開展算法模擬和可視化程序，進而分析數據，提供洞見；促動器的作用是開展實際行動和推進實際流程的開展，當分析結果確定應當采取實際行動，數字孿生將在人工乾預的情況下開啟促動器。
1.3. 數字孿生技術優勢明顯
自數字孿生概念提出以來，該技術在不斷的快速演化，無論是對產品的設計、製造還是服務，都產生了巨大的推動作用。
1.3.1. 使生產更便捷，創新速度更快，生產周期更短
數字孿生通過設計工具、仿真工具、物聯網、虛擬現實等各種數字化的手段，將物理設備的各種屬性映射到虛擬空間中，形成可拆解、可複製、可轉移、可修改、可刪除、可重複操作的數字鏡像，這極大的加速了操作人員對物理實體的了解，可以讓很多原來由於物理條件限制、必須依賴於真實的物理實體而無法完成的操作，如模擬仿真、批量複製、虛擬裝配等，成為觸手可及的工具，更能激發人們去探索新的途徑來優化設計、製造和服務。
我們舉個例子來說，所有的產品概念都產生於人的大腦，最早只是大腦裡的一個抽象的，模糊的概念。要把這樣一個概念變成真真切切的產品，是非常困難的。在沒有數字化模型幫助的情況下，要製造出一件產品，必然會經歷很多次迭代設計。僅僅為了驗證產品的每一個尺寸，部件之間的裝配關係，就不得不製造出很多個中間產品（被稱為打樣），從而耗費大量的時間和金錢。
採用了數字化模型的設計技術，就可以在虛擬的三維數字空間裡從無到有地創造出每一個部件乃至產品本身。在虛擬的三維空間裡，可以輕鬆地修改部件和產品的每一處尺寸和裝配關係，這使得幾何結構的驗證工作和裝配可行性的驗證工作大為簡單，因此可以大幅度減少迭代過程中的物理樣機的製造次數，時間，成本。
1.3.2. 更全面的測量、分析和預測能力
數字孿生技術，可以借助於物聯網和大數據技術，通過采集有限的物理傳感器指標的直接數據，並借助大樣本庫，通過機器學習推測出一些原本無法直接測量的指標。
例如我們可以利用潤滑油溫度、繞組溫度、轉子扭矩等一系列指標的歷史數據，通過機器學習來構建不同的故障特徵模型，間接推測出發電機系統的健康指標。現有的產品生命周期管理，很少能夠實現精準的預測，因此往往無法對隱藏在表象下的問題提前進行預判。
而數字孿生可以結合物聯網的數據采集、大數據的處理和人工智能的建模分析，實現對當前狀態的評估、對過去發生問題的診斷，以及對未來趨勢的預測，並給予分析的結果，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持。
1.3.3. 數字孿生幫助經驗數字化
在傳統的工業設計、製造和服務領域，經驗往往是一種模糊而很難把握的形態，很難將其作為精準判決的依據。而數字孿生的一大關鍵進步，是可以通過數字化的手段，將原先無法保存的專家經驗進行數字化，並提供了保存、複製、修改和轉移的能力。
例如，針對大型設備運行過程中出現的各種故障特徵，可以將傳感器的歷史數據通過機器學習訓練出針對不同故障現象的數字化特徵模型，並結合專家處理的記錄，將其形成未來對設備故障狀態進行精準判決的依據，並可針對不同的新形態的故障進行特徵庫的豐富和更新，最終形成自治化的智能診斷和判決。
2. 數字紐帶為數字孿生體提供訪問、整合和轉換能力
數字紐帶是一種可擴展、可配置的企業級分析框架。在整個系統的生命周期中，通過提供訪問、整合以及將不同/分散數據轉換為可操作信息的能力來通知決策制定者。
產品數字孿生體包含4個主要特徵：
1）是產品物理實體在信息空間中集成的仿真模型和全生命周期的數字化檔案，可實現產品全生命周期數據和全價值鏈數據的統一集成管理；
2）是通過與產品物理實體之間不斷進行數據和信息互動而完善；
3）最終表現形式是產品物理實體的完整、精確數字化描述；
4）可用來模擬、監控、診斷、預測和控制產品物理實體在現實物理環境中的形成過程和狀態。
數字紐帶和數字孿生體兩者之間的關係：數字紐帶為產品數字孿生體提供訪問、整合和轉換能力，其目標是貫通產品生命周期和價值鏈，實現全面追溯、雙向共享/互動信息、價值鏈協同。由此可見，產品數字孿生體是對象、模型和數據，而數字紐帶是方法、通道、鏈接和接口。通過數字紐帶交換、處理產品數字孿生體的相關信息。
圖 3：數字紐帶為產品數字孿生體提供訪問、整合和轉換能力
數據來源：數字孿生智能技術產業協會
我們以產品的設計和製造過程為例，來說明數字孿生體和數字紐帶在實際應用中的關係。如下圖4所示，仿真分析模型的參數可以傳遞到產品定義的全三維模型，再傳遞到數字化生產線加工/裝配成真實的物理產品，繼而通過在線的數字化檢驗/測量系統反映到產品定義模型中，進而又反饋到仿真分析模型中。通過數字紐帶實現了產品生命周期階段間的模型和關鍵數據雙向互動，使得產品生命周期各階段的模型保持一致，最終實現了閉環的產品全生命周期數據管理和模型管理。
圖 4：數字孿生體和數字紐帶的應用示例
數據來源：數字孿生智能技術產業協會
3. 信息物理系統為數字孿生保駕護航
3.1. 信息物理系統是工業4.0的核心
信息物理系統，簡稱CPS，是工業4.0的核心。在這個系統中，信息指軟體，物理指硬體，軟體的信息化+硬體的自動化=信息物理系統的智能化。信息物理系統（CPS）綜合了計算、通信、控制、網絡和物理環境，以大數據、網絡與海量計算為依托，運用3C技術，把人、機、物互聯，實體與虛擬對象雙向連接。
CPS內涵中的虛實雙向動態連接，有兩個步驟：1）虛擬的實體化，如設計一件產品，先進行模擬、仿真，然後再製造出來；2）實體的虛擬化，實體在製造、使用、運行的過程中，把狀態反映到虛擬端去，通過虛擬方式進行監控、判斷、分析、預測和優化。
圖 5：信息物理系統的3C技術
數據來源：中國數字孿生高峰論壇，國泰君安研究
3.2. 數字孿生是信息物理系統的核心關鍵技術
CPS通過構築信息空間與物理空間數據互動的閉環通道，能夠實現信息虛體與物理實體之間的互動聯動。數字孿生體的出現為實現CPS提供了清晰的思路、方法及實施途徑。以物理實體建模產生的靜態模型為基礎，通過實時數據采集、數據集成和監控，動態跟蹤物理實體的工作狀態和工作進展（如采集測量結果、追溯信息等），將物理空間中的物理實體在信息空間進行全要素重建，形成具有感知、分析、決策、執行能力的數字孿生體。因此，從這個角度看，數字孿生是CPS的核心關鍵技術。
圖 6：數字孿生是CPS的核心關鍵技術
數據來源：中國數字孿生高峰論壇，國泰君安研究
4. 數字孿生，5G應用落地強風口
數字孿生是5G物聯網時代的一個重要場景應用。5G網絡的場景應用包括：eMBB（高帶寬）、mMTC（大聯接）、URLLC（高可靠&低延遲）。海量的應用場景和模式都是在這三者的基礎上衍生出來的。eMBB全面提升網絡速度，增強網絡體驗；mMTC鏈接更多的智能終端，實現萬物互聯；URLLC因其高可靠性和低延時，應用於自動駕駛、移動醫療等精度要求高的行業。數字孿生便是上述應用場景的衍生之一。
圖 7：5G衍生賦能產業鏈
數據來源：“數字孿生城市”白皮書，國泰君安研究
2019年3月16日，中國移動攜手華為公司助力中國人民解放軍總醫院，成功完成了全國首例基於5G的遠程人體手術-帕金森病“腦起搏器”植入手術。該例手術的成功，是數字孿生概念落地的起點。
相對於這種與生命相關的應用場景，目前數字孿生技術多用於工業製造領域，尤其是汽車、電子製造領域。這就涉及到一個新的名詞-工業互聯網。工業互聯網是全球工業系統與高級計算、分析、感應技術以及互聯網連接融合的結果，通過智能機器間的連接並最終將人機連接，結合軟體和大數據分析，重構全球工業、激發生產力，讓世界更美好、更快速、更安全、更清潔且更經濟。
催動工業互聯網走向完善的關鍵技術很多，然而最能體現工業互聯網“助燃劑”5G拉動作用的就是數字孿生。未來工業物聯網最核心的應用基礎是數據，無論是在生產線上的工業設備，還是城市裡的垃圾箱、電燈杆，都需要采集出來並映射到數字世界，數字孿生因此不可或缺。
5. 數字孿生其他應用場景豐富
5.1. 數字孿生幫助製造業效能大幅提升
5.1.1. 預見設計質量和製造過程
運用DT技術，建立包含所有製造過程細節的數字孿生模型，在虛擬環境中驗證製造過程，發現問題後及時在模型中進行修正。這種明顯區別於傳統流程驗證的高效方法，在產品設計階段即可預見其性能並加以改進，在製造流程初期就能掌握準確信息並預見製造過程，保證所有細節都準確無誤，幫助企業更快的向市場推出優質的產品，搶佔先機。
5.1.2. 推進設計和製造高效協同
在數字孿生模型中，所需要製造的產品、製造的方式、資源以及地點等各個方面可以進行系統的規劃，將各方面關聯起來，實現設計人員和製造人員的協同。一旦發生設計變更，可以在數字孿生模型中方便地更新製造過程，將完成各項任務所需的時間以及所有不同的工序整合在一起，進行分析和規劃，直到產生滿意製造過程方案。
借助數字孿生模型可以設計出包含所有細節信息的生產布局，包括機械、自動化設備、工具、資源甚至是操作人員等各種詳細信息，並將之與產品設計進行無縫關聯。設計人員和製造人員實現協同，設計方案和生產布局實現同步，這些都大大提高了製造業務的敏捷度和效率，幫助企業面對更加複雜的產品製造挑戰。
5.1.3. 確保設計和製造準確執行
在數字孿生模型中對不同的生產策略進行模擬仿真和評估，結合大數據分析和統計學技術，快速找出有空檔時間的工序。調整策略後再模擬仿真整個生產系統的績效，進一步優化實現所有資源利用率的最大化，確保所有工序上的所有人都盡其所能，實現盈利能力的最大化。
此外，還可以使用大數據技術，直接從生產設備中收集實時的質量數據，將這些信息覆蓋在數字孿生模型上，對設計和實際製造結果進行比對，檢查二者是否存在差異，找出存在差異的原因和解決方法，確保生產能完全按照規劃來執行。
5.1.4. 數字孿生助力車間示例
隨著新一代信息技術與製造的融合和落地應用，世界各國相繼提出了各自國家層面的製造發展戰略，代表性的如工業4.0、工業互聯網、基於CPS的製造等。這些戰略雖提出的背景不同，但其共同目標之一是實現製造的物理世界和信息世界的互聯互通和智能化操作，而其共同瓶頸之一是如何實現製造的物理世界和信息世界之間的互動與共融。車間是製造活動的執行基礎，數字孿生車間是數字孿生技術在製造業的典型應用，也是突破製造的物理世界和信息世界之間的互動與共融瓶頸的典型實例。
數字孿生車間主要由物理車間（PhysicalWorkshop）、虛擬車間（Cyber Workshop）、車間服務系統（Workshop Service System: WSS）、車間孿生數據（WorkshopDigital Twin Data）四部分組成。其中，物理車間是車間客觀存在的實體集合，主要負責接收WSS下達的生產任務，並嚴格按照虛擬車間仿真優化後的預定義的生產指令，執行生產活動並完成生產任務。虛擬車間是物理車間的忠實的、完全數字化鏡像，主要負責對生產計劃／活動進行仿真、評估及優化，並對生產過程進行實時監測、預測與調控等。WSS是數據驅動的各類服務系統功能的集合或總稱，主要負責在車間孿生數據驅動下對車間智能化管控提供系統支持和服務，如對生產要素、生產計劃/活動、生產過程等的管控與優化服務等。車間孿生數據是物理車間、虛擬車間和WSS相關的數據，以及三者數據融合後產生的衍生數據的集合，是物理車間、虛擬車間和WSS運行及互動的驅動。
圖 8：數字孿生車間場景應用
數據來源：數字孿生城市研究報告
5.2. 數字孿生技術應用場景暢想
數字孿生技術的應用場景非常龐大，在未來，它會在多個方面改變我們的工作和生活，應用場景涉及各個方面。
1）智慧城市管理：把數字孿生技術應用到智慧城市管理上，會讓城市更安全。街道、社區、娛樂、商業，甚至是電力線、變電站、汙水系統、供水排水系統等，都會有數字孿生體，從而可以更輕鬆便捷地監控管理城市的每個地方。
2）工業設備監控：工廠中的設備都可以通過數字孿生技術複製出來。我們可以利用數字孿生設備了解設備內部的運行機制。數字模型和實體設備一起使用，我們可以知道設備的運行數據，提高故障預判和維修效率。
圖 9：智慧城市管理
數據來源：“數字孿生城市”白皮書
圖 10：工業設備監控
數據來源：“數字孿生城市”白皮書
3）健康管理：個人的數字孿生體可以通過醫療檢測、掃描儀器、可穿戴設備來複製。比智能手環更智能的是，我們可以得到數字孿生體每一部位的運動變化數據，更加有效地管理個人健康。
4）大腦活動的監控與管理：人腦非常複雜，大腦的活動更加不容易追蹤研究。大腦的思考方式、運動感知功能都是科研人員研究的重難點。將數字孿生技術用在大腦研究上，以後可以幫助治療腦部疾病患者。
圖 11：健康管理
數據來源：“數字孿生城市”白皮書
圖 12：大腦活動的監控與管理
數據來源：“數字孿生城市”白皮書
6. 小結：不可或缺的數字孿生
總體來看，數字孿生技術還處在早期階段，要實現成熟應用，還需要克服很多困難。但可以肯定的是，在數字時代的未來，數字孿生將完全改變我們發現、認知和改造世界的方式，未來世界大有可為。
數字孿生是5G賦能產業鏈上的重要一環。數字孿生作為5G衍生應用，加速了物聯網的成型和物聯網設備數字化，這與5G三大場景之一的萬物互聯需求強耦合。此外，數字孿生還是5G推動工業互聯網發展過程中的助燃劑，5G時代數字孿生不可或缺。
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