工業(yè)界有一個著名的海因里希法則，工業(yè)安全工程師海因里希在他的《工業(yè)事故預(yù)防》一書里提出：在1件重大的安全事故背后，必有29件輕度的事故，還有300件潛在的隱患。如果在事故發(fā)生之前，抓住時機(jī)，及時消除不安全因素，就能夠避免許多重大的傷亡事故。
(相關(guān)資料圖)
那么，誰能在事故出現(xiàn)前解決隱患呢？答案可以是，數(shù)字孿生。
什么是數(shù)字孿生
數(shù)字孿生，英文名Digital Twin（數(shù)字雙胞胎），也被稱為數(shù)字映射、數(shù)字鏡像。
它的官方定義非常復(fù)雜：數(shù)字孿生，是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。
“簡單來說，數(shù)字孿生就是在一個設(shè)備或系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造一個數(shù)字版的鏡像。”河北省科學(xué)院應(yīng)用數(shù)學(xué)所副所長王志強(qiáng)說，這個鏡像，也被稱為“數(shù)字孿生體”。它被創(chuàng)建在信息化平臺上，是虛擬的。
也許有人會說，這不就是電腦上的設(shè)計圖紙嗎？
其實不然。相比于設(shè)計圖紙，數(shù)字孿生體最大的特點在于：它是對實體對象（本體）的動態(tài)仿真。也就是說，數(shù)字孿生體是會“動”的，而且，數(shù)字孿生體不是隨便亂“動”。它“動”的依據(jù)，來自本體的物理設(shè)計模型，還有本體上面?zhèn)鞲衅鞣答伒臄?shù)據(jù)，以及本體運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)。
“說白了，本體的實時狀態(tài)，還有外界環(huán)境條件，都會復(fù)現(xiàn)到‘孿生體’身上?！蓖踔緩?qiáng)說，如果需要做系統(tǒng)設(shè)計改動，或者想要知道系統(tǒng)在特殊外部條件下的反應(yīng)，工程師們可以在孿生體上進(jìn)行“實驗”。這樣一來，既避免了對本體的影響，也可以提高效率、節(jié)約成本。
除了“會動”之外，理解數(shù)字孿生還需要記住三個關(guān)鍵詞：全生命周期、實時/準(zhǔn)實時、雙向。
數(shù)字孿生是源自工業(yè)界的概念。在工業(yè)制造領(lǐng)域，有一個詞叫作“產(chǎn)品生命周期管理（PLM）”。全生命周期是指數(shù)字孿生可以貫穿產(chǎn)品包括設(shè)計、開發(fā)、制造、服務(wù)、維護(hù)乃至報廢回收的整個周期。它并不僅限于幫助企業(yè)把產(chǎn)品更好地造出來，還包括幫助用戶更好地使用產(chǎn)品。
而實時/準(zhǔn)實時，是指本體和孿生體之間，可以建立全面的實時或準(zhǔn)實時聯(lián)系。兩者并不是完全獨立的，映射關(guān)系也具備一定的實時性。
雙向，是指本體和孿生體之間的數(shù)據(jù)流動可以是雙向的，并不是只能本體向?qū)\生體輸出數(shù)據(jù)，孿生體也可以向本體反饋信息。企業(yè)可以根據(jù)孿生體反饋的信息，對本體采取進(jìn)一步的行動和干預(yù)。
王志強(qiáng)介紹，數(shù)字孿生技術(shù)出現(xiàn)的目的之一就是為了防患于未然，在事故發(fā)生之前就解決掉事故隱患。
比如，航空發(fā)動機(jī)是飛機(jī)上的重要器件，它的穩(wěn)定和正常運(yùn)行，對于確保飛行安全極為重要。航空發(fā)動機(jī)制造商們，為了有效地檢測發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，為其創(chuàng)建了數(shù)字孿生。工程師首先會在電腦里創(chuàng)建發(fā)動機(jī)的精確虛擬副本，然后，他們在真實世界中為發(fā)動機(jī)安裝各種傳感器以收集數(shù)據(jù)，這些傳感器收集到的數(shù)據(jù)會實時傳輸給計算機(jī)中的數(shù)字孿生。這時只要在虛擬世界中運(yùn)行發(fā)動機(jī)，就能模擬在真實世界中的情況。經(jīng)過長時間的虛擬運(yùn)行，工作人員就能收集發(fā)動機(jī)的運(yùn)行方式并了解其在什么時候需要維護(hù)。
數(shù)字孿生的價值
2015年左右，中國開始跟進(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)。當(dāng)時包括工業(yè)4.0研究院在內(nèi)的多家國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)，紛紛啟動了數(shù)字孿生相關(guān)的研究課題。
從那之后，數(shù)字孿生這個概念，就開始風(fēng)靡互聯(lián)網(wǎng)和產(chǎn)業(yè)界，直至今日。
只是建了一個數(shù)字孿生體，它到底能給傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來哪些好處？
“工業(yè)制造是數(shù)字孿生的主要戰(zhàn)場。”王志強(qiáng)介紹，在產(chǎn)品研發(fā)過程中，數(shù)字孿生可以虛擬構(gòu)建產(chǎn)品數(shù)字化模型，對其進(jìn)行仿真測試和驗證。生產(chǎn)制造時，可以模擬設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)，還有參數(shù)調(diào)整帶來的變化，還能夠有效提升產(chǎn)品的可靠性和可用性，降低產(chǎn)品研發(fā)和制造風(fēng)險。維護(hù)階段，通過對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)采集和智能分析，可以提供故障點和故障概率的參考。
數(shù)字孿生給工業(yè)制造帶來了顯而易見的效率提升和成本下降，使得幾乎所有的工業(yè)巨頭趨之若鶩。以美國通用公司為例，據(jù)公開報道，該公司已為每個引擎、每個渦輪、每臺核磁共振創(chuàng)造了數(shù)字孿生體。通過這些擬真的數(shù)字化模型，工程師們可以在虛擬空間調(diào)試、實驗，能夠讓機(jī)器的運(yùn)行效果達(dá)到最佳。
除了工業(yè)制造之外，數(shù)字孿生和5G、智慧城市也有非常密切的關(guān)系。
眾所周知，5G將開啟“萬物互聯(lián)”的時代，它使得人類的連接技術(shù)到了前所未有的高度。未來，在5G的支持下，云和端之間可以建立更緊密的連接。這也就意味著，更多的數(shù)據(jù)將被采集在一起。
“這些數(shù)據(jù)，可以幫助構(gòu)建更強(qiáng)大的數(shù)字孿生體?！蓖踔緩?qiáng)說，比如，一個數(shù)字孿生城市。
據(jù)介紹，在數(shù)字孿生城市中，基礎(chǔ)設(shè)施（水、電、氣、交通等）的運(yùn)行狀態(tài)，市政資源（警力、醫(yī)療、消防等）的調(diào)配情況，都會通過傳感器、攝像頭、數(shù)字化子系統(tǒng)采集出來，并通過包括5G在內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳遞到云端。城市管理者基于這些數(shù)據(jù)以及城市模型，構(gòu)建數(shù)字孿生體，從而更高效地管理城市。
在虛擬世界，雄安的數(shù)字孿生城市已開始嶄露鋒芒。雄安的數(shù)字孿生城市不僅能顯示建筑三維立體形象，而且它是“活”的，現(xiàn)實中每建設(shè)的一棟樓，在數(shù)字雄安CIM平臺中，也能夠同步生成一棟同樣的數(shù)字大樓，現(xiàn)實中哪怕更換一個路燈，數(shù)字孿生城市里都能顯示出來。
此外，農(nóng)業(yè)也是數(shù)字孿生的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域。
“農(nóng)業(yè)是一個高度復(fù)雜和動態(tài)的領(lǐng)域，生產(chǎn)過程會受到天氣、病蟲害、土壤墑情、季節(jié)性和氣候因素等條件的影響?！蓖踔緩?qiáng)說，數(shù)字孿生可以幫助農(nóng)業(yè)從業(yè)人員實現(xiàn)對農(nóng)場運(yùn)營的實時監(jiān)控，并及時評估生產(chǎn)策略，實時調(diào)整生產(chǎn)計劃，從而達(dá)到高質(zhì)量的生產(chǎn)力水平。
據(jù)介紹，河北省科學(xué)院設(shè)計開發(fā)了面向金銀花品質(zhì)保證的“數(shù)字孿生農(nóng)業(yè)”系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合多光譜遙感、物聯(lián)網(wǎng)、5G等技術(shù)實現(xiàn)作物種植的實時遠(yuǎn)程管理，利用數(shù)字空間的可折疊性實現(xiàn)種植區(qū)域的集約化監(jiān)管，利用區(qū)塊鏈、可信計算等實現(xiàn)金銀花全產(chǎn)業(yè)鏈的精準(zhǔn)溯源和價值傳遞，利用高性能計算和人工智能技術(shù)實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈智能化和最優(yōu)決策。該系統(tǒng)的應(yīng)用實現(xiàn)了金銀花全生命周期質(zhì)量保證和全產(chǎn)業(yè)鏈精細(xì)化管理，促進(jìn)了金銀花產(chǎn)業(yè)的長期、穩(wěn)定和健康發(fā)展。
“總而言之，數(shù)字孿生是一項非常有潛力的前沿技術(shù)，會給企業(yè)帶來豐厚的回報。”王志強(qiáng)說。
人類會擁有數(shù)字孿生嗎
每個人都是獨一無二的，不同于現(xiàn)代制造業(yè)流水線生產(chǎn)的產(chǎn)品，人類是極其復(fù)雜的。隨著技術(shù)的發(fā)展，智慧醫(yī)療的概念被提出并受到了越來越多的關(guān)注。
最近幾年，智能手表出現(xiàn)在了人們的手腕上，這些手表能夠檢測人的心率、血液中的氧氣含量等基礎(chǔ)信息。坐太久時，手表會提醒我們起來走動，運(yùn)動的時候心跳太快手表也會發(fā)出預(yù)警。
現(xiàn)在借助機(jī)器學(xué)習(xí)，電腦能夠通過人臉的圖片判斷我們的心情怎么樣；在減肥過程中，拿手機(jī)拍照能知道食物有多少卡路里；智能手表會記錄我們前一晚的睡眠數(shù)據(jù)。
“從某種意義上說，這算是人體數(shù)字孿生的最初級版本。”王志強(qiáng)說。
但是對于龐大且復(fù)雜的人體系統(tǒng)而言，僅采用上述的些許數(shù)據(jù)是不能實現(xiàn)對人體狀況準(zhǔn)確預(yù)測的。想要得到一個更加準(zhǔn)確的數(shù)字孿生，需要收集大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中包括人體所處環(huán)境的空氣質(zhì)量、光照條件、人體接種的疫苗、腦電圖、心電圖、攝入食物的種類數(shù)量等等。
有專家認(rèn)為，創(chuàng)建一個能夠和現(xiàn)實中的人同步成長的數(shù)字孿生，直到現(xiàn)在依然是不可能的任務(wù)。
盡管如此，人們對數(shù)字孿生在醫(yī)療健康領(lǐng)域的美好前景仍然滿懷信心。2014年，名為“活心臟計劃”的數(shù)字孿生開發(fā)項目啟動，來自各行各業(yè)的專家以及醫(yī)學(xué)從業(yè)者希望創(chuàng)建一個人類心臟的數(shù)字孿生。
幾年后，這個項目交付了第一個參考模型，在這個模型中，醫(yī)生能夠復(fù)現(xiàn)任何心血管疾病并安全地測試治療方案，一些醫(yī)院的醫(yī)生會利用它來為不同的患者規(guī)劃個性化的心臟手術(shù)程序。
某些新出現(xiàn)的醫(yī)療手段，在現(xiàn)實中進(jìn)行實驗可能會造成巨大的損害，在數(shù)字孿生里則可以避免。
隨著新冠肺炎席卷全球，研究人員啟動了一項新的數(shù)字孿生計劃——活肺計劃，用來了解病毒對人體肺器官的長期影響。在虛擬的時空中，我們可以加速時間的流動速度，分析疾病的長期影響。
“曾經(jīng)人們認(rèn)為不可能建造一架完整客機(jī)的數(shù)字孿生，但是現(xiàn)在已經(jīng)是飛機(jī)制造商的家常便飯。人體數(shù)字孿生的搭建工作，雖然在今天看來還存在許多獨特的挑戰(zhàn)，人們相信科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的速度會攻克這些難題?！蓖踔緩?qiáng)說。
另一個“你”，或許就在不遠(yuǎn)的未來。（河北日報記者 王璐丹）
關(guān)鍵詞： 生命周期 全產(chǎn)業(yè)鏈
