什么是数字孪生？ 当黑镜成为现实
已发表: 2022-07-01你害怕看黑镜吗？ 你是否怀着忐忑的心情想过未来？ 我们有一条信息要告诉您——有一种技术应该让您开始思考。 黑镜的虚幻世界变成了现实。 让我们谈谈数字双胞胎。
数字双胞胎——目录：
- 什么是数字孪生？
- 数字孪生的主要类型有哪些？
- 数字孪生和仿真有什么区别？
- 数字孪生的主要应用领域
- 数字孪生对行业的优势
- 数字孪生的未来应用
- 威胁和担忧
什么是数字孪生？
数字双胞胎是虚拟现实中的模型，旨在反映现实世界中存在的另一个物理对象。 数字孪生是物体的精确复制品，不仅仅是图片或方案，甚至不是物体的模拟，而是反映物体所有特征的复制品。 包含真实对象信息的复制品或数字概念可以作为对象单独创建和存在，并与其物理模型永久链接。
所有这一切意味着数字孪生的概念包含三个主要元素：真实空间与真实对象、虚拟空间与虚拟对象以及它们之间的连接，允许虚拟空间和真实空间之间的信息不断流动。
使用数字双胞胎技术的想法于 1991 年首次在耶鲁大学计算机专家大卫·格伦特 (David Gelernter) 的出版物《镜像世界：或 Day Software Puts the Universe in a Shoebox》中提出。 在该出版物中，Gelernter 认为，在不久的将来，每个人都可以通过计算机屏幕访问世界的精确表示。 在他的愿景中，人们将能够与法师互动，就像他们与每天经历的现实互动一样。 Gelernter 预测计算机的使用方式将有所不同，并解释了如何利用当今的技术构建世界的复制品。
数字双胞胎的概念也是由迈克尔·格里夫斯教授开发的，他被认为是该想法在制造业中的首次应用。 他于 2002 年在专门针对产品生命周期管理的活动中提出了这一概念。 最初，这个概念被称为镜像空间模型。 他的文章和出版物赞扬了数字产品的完美性和可用性，这些产品不仅与真实模型无法区分，而且非常适合测试和模拟目的。
然而，数字双胞胎技术并不像看起来那么新。 NASA 在 1960 年代的太空探索任务中已经使用了数字孪生技术，当时航天器在地球上被复制并用于测试和研究。 正如我们今天所理解的那样，“数字双胞胎”这个术语在 2010 年被美国宇航局的专家约翰·维克斯使用。
数字孪生的主要类型有哪些？
数字孪生有几种类型，但主要区别在于应用的领域或深度，因此我们可以谈论：部分孪生、资产孪生、系统孪生或流程孪生。 零件双胞胎是非常基本的工作组件的小型双胞胎。 资产孪生用于由两个单独的组件协同工作形成的所谓资产。 资产孪生允许观察和测量这两个组件的运行情况。
系统孪生的复杂性更上一层楼。 这些双胞胎复制了整个功能系统，并允许研究更大的物理对象。 流程孪生反映了工厂或其他大型结构等大型系统的工作。 流程孪生有助于观察复杂的相互作用并允许元素同步以实现尽可能高的操作效率。
数字孪生和仿真有什么区别？
模拟和数字孪生的概念有时用于指代相同的数字对象，但它们是不同的事物，基本概念也不同。 模拟通常是在 CAD 软件或其他平台中创建的，它不必与任何真实的物理对象有任何关系。
相反，必须结合真实的物理对象创建数字双胞胎。 创建数字孪生的整个过程都是基于与对象相关的真实数据。 数字复制品通过物联网传感器与实物链接，获取实时数据，这意味着数据不断更新。 数字孪生与物体之间的信息流是双向的。 数字双胞胎中发生的过程的结果可以与真实的原始对象一起使用。
数字孪生的主要应用领域
数字双胞胎的创建仍然非常昂贵和费力，目前，数字双胞胎的使用仅限于某些领域。 它们广泛用于以下领域：
- 城市规划
- 汽车行业
- 卫生保健
- 制造业
- 发电厂
城镇的数字孪生可以在 3D 和 4D 系统中显示逼真的空间数据。 双胞胎的应用允许对环境进行更一致的城市规划。 目前，越来越多的城市决定加入上海和新加坡，打造双胞胎。 所有数据都是实时可用的，因此它极大地改进了与街道、建筑物和交通系统设计相关的所有操作。 最近在中东建造的大多数新城市都同时创建了数字双胞胎。
我们可能会在汽车行业发现数字孪生的第二个非常重要的应用。 汽车具有复杂的结构，涉及许多必须协同工作而没有损坏风险的系统。 数字双胞胎有助于提高车辆的性能和效率。 对于使用 AI 数字孪生支持运行的汽车，可以及早检查预测的有效性。
最初，医疗保健行业使用的所有数字双胞胎都是产品和设备的复制品。 目前，医疗保健中的数字孪生概念正在应用于需要诊断和监测的患者。 正在建立完全个性化的患者模型。 这些副本允许存储和跟踪生活方式参数。 整个人口的数字双胞胎将实现更大的模式搜索。
数字孪生显示了对象在其整个生命周期中的功能。 数字孪生技术的第一个应用是在制造业中。 所有复杂的产品都可以使用数字双胞胎生产，并且可以在生产的每个阶段使用。
数字双胞胎有助于为发电厂等庞大、复杂的实体制定时间表。 各种大型发动机和涡轮机都必须定期维护，它们的运行在很大程度上取决于必须有序管理以保持运行的周期性过程。 数字双胞胎在这里似乎是不可或缺的。
数字孪生对行业的优势
- 降低风险
- 产品质量
- 维护成本更低
使用数字孪生软件可以保护员工以及环境的健康和安全。 可以通过减少生产过程中的事故来保持业务目标。 借助数字孪生技术，可以更轻松地避免代价高昂的停机时间。
借助通过数字孪生技术运行的模拟提供的更好洞察力，公司可以提高产品质量，并在必要时实时定制产品。
数字双胞胎为公司提供与整个生产过程相关的预测。 这使他们能够在发生任何故障之前安排维修或更换零件。
数字孪生的未来应用
数字孪生的未来应用没有限制。 目前，数字双胞胎仍在学习他们的新技能，但投资的金额和认知能力的数量每年都呈指数级增长。 如今，数字孪生的市场主要在制造、汽车、航空、能源、医疗保健和物流等几个领先领域增长，但预计其未来发展将涵盖人类活动的所有可能领域。
- 智慧城市
- 地球与农业
- 人类数字双胞胎
科学家们希望为城镇创建数字双胞胎的主要原因是巨大的城市结构产生的碳排放。 据估计，城市产生了大约 70% 的碳，消耗了世界三分之二以上的能源。 预计到 2050 年，迈阿密、纽约、圣地亚哥和雅加达等许多城市以及中国和印度的大片土地都将被淹没。
更可持续的城市发展规划以及更好地控制建筑业使用的时间和资源（目前效率极低）可能有助于减少能源浪费和向大气排放的碳。 城市的数字孪生是解决问题的方法——它们可以帮助优化城市化的所有过程，如设计、规划、建设和日常管理。 数字双胞胎可以减少绝缘不良的旧建筑物造成的能源浪费，并降低无效交通流量造成的排放。
目前，世界各地有许多城市项目正在进行中。 这些城市还没有他们的数字双胞胎，但如果政府和地方政府希望完美地维护它们，它就会出现。 该项目的规模是巨大的——大多数大城市迟早都会变得智能。 印度政府住房和城市事务部已选定 100 个城市到 2023 年实现智慧化。各邦和政府是印度智慧城市项目的主要投资者和发起人。 预计印度所有智慧城市都将允许聪明人通过使用 ICT（基于移动的工具）参与其中。
中国在运营的智慧城市项目数量更多——近 500 个。有 100 个领先城市，其中最著名的城市有北京、上海、深圳、杭州、成都和武汉。 其中大部分仍在建设中，但预计未来中国将成为地球上第一个完全智能的国家。
一些最大的智慧城市位于美国，它们是纽约、洛杉矶、旧金山、凤凰城、盐湖城、丹佛、迈阿密和明尼阿波利斯。 伦敦和迪拜也变得聪明起来，类似于巴黎、雅加达、墨尔本、巴塞罗那和台北。 正如我们所见，大多数大城市的目标是在不久的将来变得智能，而且它们最终都会拥有自己的数字双胞胎。
为了进一步控制二氧化碳的排放，正在开发地球双胞胎。 据称，数字双胞胎应该有助于预测气候变化并预测这种变化的结果。 该项目于2021年年中开工，预计至少运行十年。 最终，将设计出完整、高精度的地球数字模型。 地球的复制品旨在代表地球表面发生的所有过程。 食物、水和能源也将通过这对双胞胎进行监控。
一些与数字双胞胎相关的解决方案已经用于农业，以提高玉米、小麦和大豆等农作物的产量。 传感器监测天气和土壤质量。 龙卷风、洪水和干旱等自然事件对粮食安全构成威胁，数字孪生技术提供的准确预测可能是农业的解决方案。
智能数字城市的数字世界可能需要数字人类居民才能茁壮成长。 人类可以拥有他们的数字双胞胎，并且该技术已经允许创建此类实体。 预计将引领数字生活的人类数字双胞胎将在本世纪末之前投入使用，这很快就会到来。 预计这些数字双胞胎将从真实模型（人类）中思考和学习。
威胁和担忧
人类的数字双胞胎可能对雇主、企业和公司有用，但它对个人也同样有益吗？ 它可能被证明是非常不道德的，并且对人际交往有害。 将学习所需技能的人类数字双胞胎可能会取代人类并使他们变得多余。 雇主可能会决定雇用数字人而不是真人，这只有比较两种生物的生活成本才能理解。
自由和自由意志的终结。 对城市数字双胞胎功能的赞誉之一是那些可能对人类根本没有好处的功能。 据说政府或其他管理实体可能能够控制城市空间生活的所有重要方面。 数字双胞胎将能够控制交通流量——这意味着一个人可能无法前往他想去的地方，并控制房间的温度和市民公寓中使用的水——这意味着你可能无法再长时间淋浴了.
数字双胞胎技术赋予未知、无法预测的管理我们城市的当局的权力和控制权是过度和危险的——将有上百万种方法来惩罚不听话的人，仅仅通过操纵人的直接环境（无法获得服务、资源有限、旅行能力有限）。
真正的人类可能被迫生活在狭小、密闭的地方，无法接触大自然或其他生物。 随着零售公司计划进入虚拟现实，购物也将通过虚拟媒体实现。 数字孪生技术的一些主要设计者似乎忘记了购物不仅是为了获取商品，而且更多地与：社交、娱乐和精神焕发有关。
目前，有一些智慧城市的活生生的例子可以在道德和自由问题上进行分析。 北京因其允许在整个城市无现金存在的支付系统而受到称赞——世界上所有的公民都会被迫拥有智能设备吗？ 广州已经用智能手机取代了身份证——该系统已全面运行，但对公民个人的控制比以往任何时候都大。 批评政府的人再也没有机会躲在广州了。
关于真实空间（城市、地球、物体）的数字双胞胎和人类的数字双胞胎，最关键的问题是人类与整个过程所需的复制品之间的联系——它是智能手机还是其他设备。 转变为数字现实似乎对人类生活的某些领域是必要的，但数字孪生技术非常耗能。 我们不应该问自己，数字双胞胎技术的所有应用是否真的在我们生活的各个方面都是必要的，谁真的希望从让人类原型与思考双胞胎一起生活在一些不真实、不自然和完全可控的世界中受益？ ?
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作者：罗伯特·惠特尼
JavaScript 专家和指导 IT 部门的讲师。 他的主要目标是通过教其他人如何在编码时有效合作来提高团队生产力。