5G黑科技之数字孪生：未来制造业的基石

    01 数字孪生 不仅仅是复制

    孪生，即双胞胎；数字孪生，顾名思义，就是数字形式的双胞胎。

    在“数字孪生”中，双胞胎中的一个是存在于现实世界的实体，小到零件，大到工厂，简单如螺丝，复杂如人体的结构。

    而双胞胎中的另一个则只存在虚拟和数字世界之中，是利用数字技术营造的与现实世界对称的镜像。

    如果以家用电脑为例，Word文档和打印出来的文稿就是“数字孪生”。若以导航软件为例，城市中的实体道路和软件中的虚拟道路也是“数字孪生”。

    数字孪生技术产生的汽车3D模型

图片来源：“数字孪生城市”白皮书

    此外，这个数字孪生体，不仅是对现实实体的虚拟再现，还可以模拟对象在现实环境中的行为。因此可以说，数字孪生是将物理对象以数字化方式在虚拟空间呈现，模拟其在现实环境中的行为特征。

    02 数字孪生有什么用？

    数字孪生这个概念究竟有什么用呢？

    首先，它可以通过设计工具、仿真工具、物联网、虚拟现实等各种数字化的手段，将物理设备的各种属性映射到虚拟空间中，形成可拆解、可复制、可转移、可修改、可删除、可重复操作的数字镜像。

    这极大的加速了操作人员对物理实体的了解，激发模拟仿真、批量复制、虚拟装配等设计活动。

    过去，在没有数字化模型帮助之下，制造一件产品要经历很多次迭代设计。

    现在，采用了数字化模型的设计技术，就可以在虚拟的三维数字空间轻松地修改部件和产品的每一处尺寸和装配关系，这使得几何结构的验证工作和装配可行性的验证工作大为简单，大幅度减少了迭代过程中物理样机的制造次数、时间，以及成本。

    此外，数字孪生还可以通过采集有限的物理传感器指标的直接数据，借助大样本库，通过机器学习推测出一些原本无法直接测量的指标。由此实现对当前状态的评估、对过去发生问题的诊断，以及对未来趋势的预测，并给予分析的结果，模拟各种可能性，提供更全面的决策支持。

    例如，针对大型设备运行过程中出现的各种故障特征，可以将传感器的历史数据通过机器学习训练出针对不同故障现象的数字化特征模型，并结合专家处理的记录，将其形成未来对设备故障状态进行精准判决的依据，最终形成自治化的智能诊断和判决。

    03 应用场景丰富

    1. 数字孪生，5G应用落地强风口

    数字孪生是5G物联网时代的一个重要场景应用。

    5G网络的场景应用包括：eMBB（高带宽）、mMTC（大联接）、URLLC（高可靠&低延迟）。海量的应用场景和模式都是在这三者的基础上衍生出来的。

    eMBB全面提升网络速度，增强网络体验；mMTC链接更多的智能终端，实现万物互联；URLLC因其高可靠性和低延时，应用于自动驾驶、移动医疗等精度要求高的行业。

    数字孪生便是上述应用场景的衍生之一。

    5G衍生赋能产业链

数据来源：“数字孪生城市”白皮书，国泰君安证券研究

    目前，数字孪生技术多用于工业制造领域，尤其是汽车、电子制造领域。工业互联网是全球工业系统与高级计算、分析、感应技术以及互联网连接融合的结果， 催动工业互联网走向完善的关键技术很多，然而最能体现工业互联网“助燃剂”5G拉动作用的就是数字孪生。

    未来工业物联网最核心的应用基础是数据，无论是在生产线上的工业设备，还是城市里的垃圾箱、电灯杆，都需要采集出来并映射到数字世界，数字孪生因此不可或缺。

    2. 数字孪生帮助制造业效能大幅提升

    推进设计和制造高效协同

    在数字孪生模型中，所需要制造的产品、制造的方式、资源以及地点等各个方面可以进行系统的规划，将各方面关联起来，实现设计人员和制造人员的协同。

    一旦发生设计变更，可以在数字孪生模型中方便地更新制造过程，将完成各项任务所需的时间以及所有不同的工序整合在一起，进行分析和规划，直到产生满意制造过程方案。

    确保设计和制造准确执行

    在数字孪生模型中对不同的生产策略进行模拟仿真和评估，结合大数据分析和统计学技术，快速找出有空档时间的工序。

    调整策略后再模拟仿真整个生产系统的绩效，进一步优化实现所有资源利用率的最大化，确保所有工序上的所有人都尽其所能，实现盈利能力的最大化。

    举个例子来说，数字孪生车间就是数字孪生技术在制造业的典型应用，也是突破制造的物理世界和信息世界之间的交互与共融瓶颈的典型实例。

    数字孪生车间主要由物理车间（Physical Workshop）、虚拟车间（Cyber Workshop）、车间服务系统（Workshop Service System: WSS）、车间孪生数据（Workshop Digital Twin Data）四部分组成。其中：

    物理车间是车间客观存在的实体集合，主要负责接收WSS下达的生产任务，并严格按照虚拟车间仿真优化后的预定义的生产指令，执行生产活动并完成生产任务；

    虚拟车间是物理车间的忠实的、完全数字化镜像，主要负责对生产计划／活动进行仿真、评估及优化，并对生产过程进行实时监测、预测与调控等；

    WSS是数据驱动的各类服务系统功能的集合或总称，主要负责在车间孪生数据驱动下对车间智能化管控提供系统支持和服务，如对生产要素、生产计划/活动、生产过程等的管控与优化服务等；

    车间孪生数据是物理车间、虚拟车间和WSS相关的数据，以及三者数据融合后产生的衍生数据的集合，是物理车间、虚拟车间和WSS运行及交互的驱动。

    3. 数字孪生技术应用场景畅想

    数字孪生技术的应用场景非常庞大，在未来，它会在多个方面改变我们的工作和生活，应用场景涉及各个方面。

    智慧城市管理

    把数字孪生技术应用到智慧城市管理上，会让城市更安全。街道、社区、娱乐、商业，甚至是电力线、变电站、污水系统、供水排水系统等，都会有数字孪生体，从而可以更轻松便捷地监控管理城市的每个地方。

    工业设备监控

    工厂中的设备都可以通过数字孪生技术复制出来。我们可以利用数字孪生设备了解设备内部的运行机制。数字模型和实体设备一起使用，我们可以知道设备的运行数据，提高故障预判和维修效率。

    健康管理

    个人的数字孪生体可以通过医疗检测、扫描仪器、可穿戴设备来复制。比智能手环更智能的是，我们可以得到数字孪生体每一部位的运动变化数据，更加有效地管理个人健康。

    大脑活动的监控与管理

    人脑非常复杂，大脑的活动更加不容易追踪研究。大脑的思考方式、运动感知功能都是科研人员研究的重难点。将数字孪生技术用在大脑研究上，以后可以帮助治疗脑部疾病患者。

    虽然总体来看，数字孪生技术还处在早期阶段，但可以肯定的是，在数字时代的未来，数字孪生将完全改变我们发现、认知和改造世界的方式，未来世界大有可为。

    数字孪生是5G赋能产业链上的重要一环。数字孪生作为5G衍生应用，加速了物联网的成型和物联网设备数字化，这与5G三大场景之一的万物互联需求强耦合。此外，数字孪生还是5G推动工业互联网发展过程中的助燃剂，5G时代数字孪生不可或缺。