什麼是數字孿生？ 當黑鏡成為現實
已發表: 2022-07-01你害怕看黑鏡嗎？ 你是否懷著忐忑的心情想過未來？ 我們有一條信息要告訴您——有一種技術應該讓您開始思考。 黑鏡的虛幻世界變成了現實。 讓我們談談數字雙胞胎。
數字雙胞胎——目錄：
- 什麼是數字孿生？
- 數字孿生的主要類型有哪些？
- 數字孿生和仿真有什麼區別？
- 數字孿生的主要應用領域
- 數字孿生對行業的優勢
- 數字孿生的未來應用
- 威脅和擔憂
什麼是數字孿生？
數字雙胞胎是虛擬現實中的模型，旨在反映現實世界中存在的另一個物理對象。 數字孿生是物體的精確複製品，不僅僅是圖片或方案，甚至不是物體的模擬，而是反映物體所有特徵的複製品。 包含真實對象信息的複製品或數字概念可以作為對象單獨創建和存在，並與其物理模型永久鏈接。
所有這一切意味著數字孿生的概念包含三個主要元素：真實空間與真實對象、虛擬空間與虛擬對像以及它們之間的連接，允許虛擬空間和真實空間之間的信息不斷流動。
使用數字雙胞胎技術的想法於 1991 年首次在耶魯大學計算機專家大衛·格倫特 (David Gelernter) 的出版物《鏡像世界：或 Day Software Puts the Universe in a Shoebox》中提出。 在該出版物中，Gelernter 認為，在不久的將來，每個人都可以通過計算機屏幕訪問世界的精確表示。 在他的願景中，人們將能夠與法師互動，就像他們與每天經歷的現實互動一樣。 Gelernter 預測計算機的使用方式將有所不同，並解釋瞭如何利用當今的技術構建世界的複製品。
數字雙胞胎的概念也是由邁克爾·格里夫斯教授開發的，他被認為是該想法在製造業中的首次應用。 他於 2002 年在專門針對產品生命週期管理的活動中提出了這一概念。 最初，這個概念被稱為鏡像空間模型。 他的文章和出版物讚揚了數字產品的完美性和可用性，這些產品不僅與真實模型無法區分，而且非常適合測試和模擬目的。
然而，數字雙胞胎技術並不像看起來那麼新。 NASA 在 1960 年代的太空探索任務中已經使用了數字孿生技術，當時航天器在地球上被複製並用於測試和研究。 正如我們今天所理解的那樣，“數字雙胞胎”這個術語在 2010 年被美國宇航局的專家約翰·維克斯使用。
數字孿生的主要類型有哪些？
數字孿生有幾種類型，但主要區別在於應用的領域或深度，因此我們可以談論：部分孿生、資產孿生、系統孿生或流程孿生。 零件雙胞胎是非常基本的工作組件的小型雙胞胎。 資產孿生用於由兩個單獨的組件協同工作形成的所謂資產。 資產孿生允許觀察和測量這兩個組件的運行情況。
系統孿生的複雜性更上一層樓。 這些雙胞胎複製了整個功能係統，並允許研究更大的物理對象。 流程孿生反映了工廠或其他大型結構等大型系統的工作。 流程孿生有助於觀察複雜的相互作用並允許元素同步以實現盡可能高的操作效率。
數字孿生和仿真有什麼區別？
模擬和數字孿生的概念有時用於指代相同的數字對象，但它們是不同的事物，基本概念也不同。 模擬通常是在 CAD 軟件或其他平台中創建的，它不必與任何真實的物理對像有任何關係。
相反，必須結合真實的物理對象創建數字雙胞胎。 創建數字孿生的整個過程都是基於與對象相關的真實數據。 數字複製品通過物聯網傳感器與實物鏈接，獲取實時數據，這意味著數據不斷更新。 數字孿生與物體之間的信息流是雙向的。 數字雙胞胎中發生的過程的結果可以與真實的原始對像一起使用。
數字孿生的主要應用領域
數字雙胞胎的創建仍然非常昂貴和費力，目前，數字雙胞胎的使用僅限於某些領域。 它們廣泛用於以下領域：
- 城市規劃
- 汽車行業
- 衛生保健
- 製造業
- 發電廠
城鎮的數字孿生可以在 3D 和 4D 系統中顯示逼真的空間數據。 雙胞胎的應用允許對環境進行更一致的城市規劃。 目前，越來越多的城市決定加入上海和新加坡，打造雙胞胎。 所有數據都是實時可用的，因此它極大地改進了與街道、建築物和交通系統設計相關的所有操作。 最近在中東建造的大多數新城市都同時創建了數字雙胞胎。
我們可能會在汽車行業發現數字孿生的第二個非常重要的應用。 汽車具有復雜的結構，涉及許多必須協同工作而沒有損壞風險的系統。 數字雙胞胎有助於提高車輛的性能和效率。 對於使用 AI 數字孿生支持運行的汽車，可以及早檢查預測的有效性。
最初，醫療保健行業使用的所有數字雙胞胎都是產品和設備的複製品。 目前，醫療保健中的數字孿生概念正在應用於需要診斷和監測的患者。 正在建立完全個性化的患者模型。 這些副本允許存儲和跟踪生活方式參數。 整個人口的數字雙胞胎將實現更大的模式搜索。
數字孿生顯示了對像在其整個生命週期中的功能。 數字孿生技術的第一個應用是在製造業中。 所有復雜的產品都可以使用數字雙胞胎生產，並且可以在生產的每個階段使用。
數字雙胞胎有助於為發電廠等龐大、複雜的實體制定時間表。 各種大型發動機和渦輪機都必須定期維護，它們的運行在很大程度上取決於必須有序管理以保持運行的周期性過程。 數字雙胞胎在這裡似乎是不可或缺的。
數字孿生對行業的優勢
- 降低風險
- 產品質量
- 維護成本更低
使用數字孿生軟件可以保護員工以及環境的健康和安全。 可以通過減少生產過程中的事故來保持業務目標。 借助數字孿生技術，可以更輕鬆地避免代價高昂的停機時間。
借助通過數字孿生技術運行的模擬提供的更好洞察力，公司可以提高產品質量，並在必要時實時定制產品。
數字雙胞胎為公司提供與整個生產過程相關的預測。 這使他們能夠在發生任何故障之前安排維修或更換零件。
數字孿生的未來應用
數字孿生的未來應用沒有限制。 目前，數字雙胞胎仍在學習他們的新技能，但投資的金額和認知能力的數量每年都呈指數級增長。 如今，數字孿生的市場主要在製造、汽車、航空、能源、醫療保健和物流等幾個領先領域增長，但預計其未來發展將涵蓋人類活動的所有可能領域。
- 智慧城市
- 地球與農業
- 人類數字雙胞胎
科學家們希望為城鎮創建數字雙胞胎的主要原因是巨大的城市結構產生的碳排放。 據估計，城市產生了大約 70% 的碳，消耗了世界三分之二以上的能源。 預計到 2050 年，邁阿密、紐約、聖地亞哥和雅加達等許多城市以及中國和印度的大片土地都將被淹沒。
更可持續的城市發展規劃以及更好地控制建築業使用的時間和資源（目前效率極低）可能有助於減少能源浪費和向大氣排放的碳。 城市的數字孿生是解決問題的方法——它們可以幫助優化城市化的所有過程，如設計、規劃、建設和日常管理。 數字雙胞胎可以減少絕緣不良的舊建築物造成的能源浪費，並降低無效交通流量造成的排放。
目前，世界各地有許多城市項目正在進行中。 這些城市還沒有他們的數字雙胞胎，但如果政府和地方政府希望完美地維護它們，它就會出現。 該項目的規模是巨大的——大多數大城市遲早都會變得智能。 印度政府住房和城市事務部已選定 100 個城市到 2023 年實現智慧化。各邦和政府是印度智慧城市項目的主要投資者和發起人。 預計印度所有智慧城市都將允許聰明人通過使用 ICT（基於移動的工具）參與其中。
中國在運營的智慧城市項目數量更多——近 500 個。有 100 個領先城市，其中最著名的城市有北京、上海、深圳、杭州、成都和武漢。 其中大部分仍在建設中，但預計未來中國將成為地球上第一個完全智能的國家。
一些最大的智慧城市位於美國，它們是紐約、洛杉磯、舊金山、鳳凰城、鹽湖城、丹佛、邁阿密和明尼阿波利斯。 倫敦和迪拜也變得聰明起來，類似於巴黎、雅加達、墨爾本、巴塞羅那和台北。 正如我們所見，大多數大城市的目標是在不久的將來變得智能，而且它們最終都會擁有自己的數字雙胞胎。
為了進一步控制二氧化碳的排放，正在開發地球雙胞胎。 據稱，數字雙胞胎應該有助於預測氣候變化並預測這種變化的結果。 該項目於2021年年中開工，預計至少運行十年。 最終，將設計出完整、高精度的地球數字模型。 地球的複製品旨在代表地球表面發生的所有過程。 食物、水和能源也將通過這對雙胞胎進行監控。
一些與數字雙胞胎相關的解決方案已經用於農業，以提高玉米、小麥和大豆等農作物的產量。 傳感器監測天氣和土壤質量。 龍捲風、洪水和乾旱等自然事件對糧食安全構成威脅，數字孿生技術提供的準確預測可能是農業的解決方案。
智能數字城市的數字世界可能需要數字人類居民才能茁壯成長。 人類可以擁有他們的數字雙胞胎，並且該技術已經允許創建此類實體。 預計將引領數字生活的人類數字雙胞胎將在本世紀末之前投入使用，這很快就會到來。 預計這些數字雙胞胎將從真實模型（人類）中思考和學習。
威脅和擔憂
人類的數字雙胞胎可能對雇主、企業和公司有用，但它對個人也同樣有益嗎？ 它可能被證明是非常不道德的，並且對人際交往有害。 將學習所需技能的人類數字雙胞胎可能會取代人類並使他們變得多餘。 雇主可能會決定僱用數字人而不是真人，這只有比較兩種生物的生活成本才能理解。
自由和自由意志的終結。 對城市數字雙胞胎功能的讚譽之一是那些可能對人類根本沒有好處的功能。 據說政府或其他管理實體可能能夠控制城市空間生活的所有重要方面。 數字雙胞胎將能夠控制交通流量——這意味著一個人可能無法前往他想去的地方，並控制房間的溫度和市民公寓中使用的水——這意味著你可能無法再長時間淋浴了.
數字雙胞胎技術賦予未知、無法預測的管理我們城市的當局的權力和控制權是過度和危險的——將有上百萬種方法來懲罰不聽話的人，僅僅通過操縱人的直接環境（無法獲得服務、資源有限、旅行能力有限）。
真正的人類可能被迫生活在狹小、密閉的地方，無法接觸大自然或其他生物。 隨著零售公司計劃進入虛擬現實，購物也將通過虛擬媒體實現。 數字孿生技術的一些主要設計者似乎忘記了購物不僅是為了獲取商品，而且更多地與：社交、娛樂和精神煥發有關。
目前，有一些智慧城市的活生生的例子可以在道德和自由問題上進行分析。 北京因其允許在整個城市無現金存在的支付系統而受到稱讚——世界上所有的公民都會被迫擁有智能設備嗎？ 廣州已經用智能手機取代了身份證——該系統已全面運行，但對公民個人的控制比以往任何時候都大。 批評政府的人再也沒有機會躲在廣州了。
關於真實空間（城市、地球、物體）的數字雙胞胎和人類的數字雙胞胎，最關鍵的問題是人類與整個過程所需的複製品之間的聯繫——它是智能手機還是其他設備。 轉變為數字現實似乎對人類生活的某些領域是必要的，但數字孿生技術非常耗能。 我們不應該問自己，數字雙胞胎技術的所有應用是否真的在我們生活的各個方面都是必要的，誰真的希望從讓人類原型與思考雙胞胎一起生活在一些不真實、不自然和完全可控的世界中受益？ ?
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作者：羅伯特·惠特尼
JavaScript 專家和指導 IT 部門的講師。 他的主要目標是通過教其他人如何在編碼時有效合作來提高團隊生產力。