數(shù)字孿生是物理設(shè)備的虛擬副本，IT專業(yè)人員和數(shù)據(jù)科學家可以在構(gòu)建和部署實際設(shè)備之前使用它來運行模擬。數(shù)字孿生還可以獲取實時物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，并應用人工智能和數(shù)據(jù)分析來優(yōu)化性能。
數(shù)字孿生(模仿物理對象或系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和行為的數(shù)字表示)的使用正在增加。 在傳感器技術(shù)、人工智能和數(shù)據(jù)分析進步的推動下，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)超越了最初的制造業(yè)，進入了許多其他行業(yè)。
在IT世界中，企業(yè)可以使用數(shù)字孿生來復制其IT環(huán)境，包括基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備，然后運行模擬或假設(shè)場景來測試變化的影響并進行優(yōu)化 表現(xiàn)。 例如，它們可用于驗證網(wǎng)絡(luò)的當前狀態(tài)，并測試配置更改、固件更新或安全策略調(diào)整。
什么是數(shù)字孿生?
數(shù)字孿生是物理對象或系統(tǒng)的數(shù)字表示。從本質(zhì)上講，數(shù)字孿生是一種計算機程序，它將有關(guān)物理對象或系統(tǒng)的真實世界數(shù)據(jù)作為輸入，并產(chǎn)生預測或模擬該物理對象或系統(tǒng)將如何受到這些輸入的影響。
數(shù)字孿生概念首先出現(xiàn)在美國宇航局：早期太空艙的全尺寸模型，在地面上用于鏡像和診斷軌道上的問題，最終讓位于全數(shù)字模擬。
數(shù)字孿生背后的技術(shù)已經(jīng)擴展到包括建筑物、工廠甚至城市，一些人認為甚至人和流程也可以擁有數(shù)字孿生，從而進一步擴展了這一概念。
在Gartner 將數(shù)字孿生列為2017年十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢之一后，并表示在三到五年內(nèi)，“數(shù)十億事物將由數(shù)字孿生(一種物理事物或系統(tǒng)的動態(tài)軟件模型)來代表”，這一術(shù)語才真正開始流行起來。
Grand View Research表示，如今，數(shù)字孿生技術(shù)因其彌合物理世界和虛擬世界之間差距的潛力而繼續(xù)獲得吸引力。該公司表示，預計從2023年到2030年，全球數(shù)字孿生市場將以38%的復合年增長率(CAGR)擴張。Grand View表示，將人工智能(AI)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)納入數(shù)字孿生系統(tǒng)，預計將在預測期內(nèi)推動市場增長。
數(shù)字孿生如何運作？
數(shù)字孿生是由專家(通常是數(shù)據(jù)科學或應用數(shù)學專家)構(gòu)建的。 這些開發(fā)人員研究被模仿的物理對象或系統(tǒng)背后的物理原理，并使用該數(shù)據(jù)開發(fā)數(shù)學模型，以模擬數(shù)字空間中的真實世界原始狀態(tài)。
孿生體的構(gòu)造使其能夠接收來自傳感器的輸入，這些傳感器從現(xiàn)實世界的對等體收集數(shù)據(jù)。這使得孿生體可以實時模擬物理對象，在此過程中提供對性能和潛在問題的見解。孿生體也可以根據(jù)實物原型設(shè)計，在這種情況下，孿生體可以在產(chǎn)品改進時提供反饋；孿生體甚至可以在任何物理版本建成之前作為原型。
數(shù)字孿生與模擬
仿真和數(shù)字孿生這兩個術(shù)語經(jīng)?；Q使用，但它們是不同的東西。 模擬是使用 CAD 系統(tǒng)或類似平臺設(shè)計的，并且可以通過其模擬步驟進行，但可能無法與真實的物理對象進行一對一的模擬。 相比之下，數(shù)字孿生是根據(jù)真實設(shè)備上的物聯(lián)網(wǎng)傳感器的輸入構(gòu)建的，這意味著它復制了現(xiàn)實世界的系統(tǒng)，并隨著時間的推移而隨該系統(tǒng)發(fā)生變化。 模擬往往在產(chǎn)品生命周期的設(shè)計階段使用，試圖預測未來產(chǎn)品將如何工作，而數(shù)字孿生則為業(yè)務(wù)的各個部分提供了他們已經(jīng)使用的某些產(chǎn)品或系統(tǒng)現(xiàn)在如何工作的洞察。
數(shù)字孿生用例
數(shù)字孿生的潛在用例非常廣泛。 飛機發(fā)動機、火車、海上石油平臺和渦輪機等物體可以在實際生產(chǎn)之前進行數(shù)字化設(shè)計和測試。 這些數(shù)字雙胞胎還可用于幫助維護操作。 例如，技術(shù)人員可以在應用修復之前使用數(shù)字孿生來測試針對某臺設(shè)備提出的修復是否有效。
制造業(yè)可能是數(shù)字孿生推廣最深入的領(lǐng)域，工廠已經(jīng)使用數(shù)字孿生來模擬其流程。 汽車數(shù)字孿生之所以成為可能，是因為汽車已經(jīng)配備了遙測傳感器，但隨著更多自動駕駛汽車上路，完善技術(shù)將變得更加重要。 醫(yī)療保健是可以產(chǎn)生人的數(shù)字孿生的行業(yè)； 微型傳感器可以將健康信息發(fā)送回數(shù)字雙胞胎，用于監(jiān)測和預測患者的健康狀況。
數(shù)字孿生能為組織帶來什么樣的價值？
正如數(shù)字孿生在不同行業(yè)有不同的用途一樣，數(shù)字孿生的價值也因應用而異。
例如，在制造領(lǐng)域，數(shù)字孿生可以使產(chǎn)品設(shè)計師在確定最終設(shè)計之前嘗試原型。 這是一種利用數(shù)字資源來開發(fā)和完善產(chǎn)品的方法，而不是利用物理工程資源。 通過在虛擬空間中模擬真實產(chǎn)品的數(shù)字復制品，設(shè)計人員可以快速生成新的迭代，優(yōu)化其產(chǎn)品設(shè)計，并一路提高產(chǎn)品質(zhì)量。
在半導體行業(yè)，數(shù)字孿生可以存在于云端并取代物理研究模型。 2024年5月，拜登政府宣布計劃提供高達2.85億美元的資金，建立一個美國芯片制造研究所，專注于半導體行業(yè)的數(shù)字孿生:美國商務(wù)部在公告中表示，基于數(shù)字孿生的研究可以利用人工智能“幫助加快美國新芯片開發(fā)和制造概念的設(shè)計，并通過改善產(chǎn)能規(guī)劃、生產(chǎn)優(yōu)化、設(shè)施升級和實時流程調(diào)整來大幅降低成本”。
研究公司IDC的全球IT/OT融合戰(zhàn)略研究主管Jonathan Lang在接受《網(wǎng)絡(luò)世界》采訪時表示，數(shù)字孿生體在制造業(yè)、石油和天然氣、公用事業(yè)、采礦業(yè)等特定行業(yè)具有吸引力，“基本上是物理的、高資本的、資產(chǎn)密集型的垂直行業(yè)。”
Lang表示，在這些情況下，數(shù)字孿生的基本原理已經(jīng)很清楚了，因為其潛在的好處包括更好地了解資產(chǎn)的健康狀況、提高可靠性、節(jié)省成本以及確保穩(wěn)定運營的能力。他說:“基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等IT環(huán)境具有相同的價值驅(qū)動因素。”
數(shù)字孿生有哪些類型?
IBM提供的分類方案不是基于特定的行業(yè)，而是基于孿生事物的復雜性。這為思考特定用例中的需求提供了一種有用的方法，并讓我們了解數(shù)字孿生可以做什么：
組件或零件孿生模擬功能組件的最小示例。
資產(chǎn)孿生模擬兩個或多個組件一起工作，并讓您研究它們之間的交互。
系統(tǒng)或單元孿生可讓您了解多個系統(tǒng)資產(chǎn)如何協(xié)同工作，例如模擬整個生產(chǎn)線。
流程孿生采用系統(tǒng)協(xié)同工作的絕對頂層視圖，讓您了解整個工廠的運作方式。
值得注意的是，向組合中添加更多組件會增加復雜性。 特別是，混合和匹配來自不同制造商的組件可能很困難，因為您需要每個人的知識產(chǎn)權(quán)才能在數(shù)字孿生世界中良好地協(xié)同工作。
數(shù)字孿生的優(yōu)勢和好處
在IT世界中，模擬IT基礎(chǔ)架構(gòu)的數(shù)字孿生體可以：
加強安全性:“網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生提供了值得注意的安全優(yōu)勢，包括關(guān)鍵漏洞識別和針對正在使用的單個設(shè)備配置和功能的優(yōu)先補救計劃，”Forward Networks產(chǎn)品和用戶體驗高級副總裁Chiara Regale在接受網(wǎng)絡(luò)世界采訪時談到考慮網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生的原因時說。
改善文檔記錄:“由于圍繞交付的優(yōu)先級、缺乏記錄基礎(chǔ)設(shè)施變化的標準以及無序擴張，每個企業(yè)都不擅長記錄文檔記錄，”金融服務(wù)公司Fiserv的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和自動化總監(jiān)邁克爾·溫斯頓告訴《網(wǎng)絡(luò)世界》。數(shù)字孿生技術(shù)可以提供對基礎(chǔ)架構(gòu)的深入了解，而不僅僅是配置，包括環(huán)境在任何給定時間的運行情況。這對于成功的文檔編制至關(guān)重要。
提高效率：數(shù)字孿生支持跨多個業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模擬。IDC研究表明，IT組織正在浪費大量時間來搜索執(zhí)行工作職能所需的信息。IDC分析師Jonathan Lang表示:“通過在單一界面中統(tǒng)一數(shù)據(jù)以及跨多個數(shù)據(jù)集進行分析，數(shù)字孿生提高了工作人員的效率以及分析輸出的質(zhì)量和準確性。
創(chuàng)造更好的數(shù)字體驗：公司可以創(chuàng)建數(shù)字孿生體來幫助增強數(shù)字體驗，數(shù)字體驗是用戶與產(chǎn)品、服務(wù)、設(shè)備等基于數(shù)字的交互的總和。Juniper Networks首席人工智能官Bob Friday表示:“數(shù)字孿生體驗是一個新概念，它可以虛擬化最終用戶、應用程序或物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，以驗證網(wǎng)絡(luò)體驗并在問題影響用戶體驗之前預測問題。
數(shù)字孿生如何影響組織的環(huán)境可持續(xù)性？
Gartner Research 的數(shù)據(jù)顯示，隨著可持續(xù)發(fā)展日益成為成本優(yōu)化和風險管理的核心考慮因素，實施數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施可持續(xù)發(fā)展計劃的公司比例將從 2022 年的約 5% 一直上升到 2027 年的 75%。 行業(yè)觀察人士證明，數(shù)字孿生可以幫助公司實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。 數(shù)字孿生與 IT 領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展之間的一些潛在聯(lián)系包括：
改進的系統(tǒng)管理，可以減少停機時間并提供更先進的電源管理功能。
更好的庫存和資產(chǎn)管理實踐，使 IT 能夠最大限度地利用企業(yè)服務(wù)器和存儲部署并識別閑置容量。
更容易識別舊的、耗能的設(shè)備，可以用具有更好能源性能的新一代硬件替換。
通用汽車全球制造 IT 總監(jiān) Mano Rao 博士在一篇關(guān)于通用汽車與 GE Digital 合作追求基于模型的系統(tǒng)工程的博客中寫道：“在通用汽車，我們開發(fā)了一個虛擬工廠測試臺，以提供所需的工具和環(huán)境。 測試支持按單生產(chǎn)所需的所有制造工藝變化，以及每項操作可能產(chǎn)生的所有結(jié)果排列。 我們采用流程數(shù)字孿生來模擬工廠車間行為并測試 OT 和 IT 系統(tǒng)的集成，無需部署物理生產(chǎn)線，也不需要物理產(chǎn)品沿生產(chǎn)線流動。 這不僅有助于通用汽車的競爭優(yōu)勢，而且使我們更接近我們的可持續(xù)發(fā)展承諾。”
數(shù)字孿生在各行業(yè)的應用
數(shù)字孿生可以部署在許多行業(yè)。 這里有些例子：
企業(yè)IT：數(shù)字孿生可以復制IT環(huán)境，包括基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。 例如，IT 團隊可以使用數(shù)字孿生來測試配置更改或調(diào)整安全策略。
半導體行業(yè)：數(shù)字孿生可以實現(xiàn)工程師和研究人員之間更多的協(xié)作設(shè)計，加快思想交流并降低研發(fā)成本。
制造運營：在制造業(yè)中，數(shù)字孿生可以簡化設(shè)計流程，改善設(shè)計師之間的協(xié)作，并有助于減少產(chǎn)品設(shè)計中使用的材料。
醫(yī)療保健服務(wù)：在醫(yī)療保健領(lǐng)域，數(shù)字孿生可以提高健康監(jiān)測和診斷能力。
汽車行業(yè)：汽車設(shè)計師和制造商使用數(shù)字孿生來縮短上市時間、改進安全程序、監(jiān)控產(chǎn)品性能并識別潛在的維護問題。
發(fā)電和公用事業(yè)：能源和公用事業(yè)公司可以創(chuàng)建發(fā)電廠或配電網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字孿生或虛擬模型，并使用它來簡化運營并發(fā)現(xiàn)提高績效的機會。
城市規(guī)劃：對于城市規(guī)劃和基礎(chǔ)設(shè)施項目，數(shù)字孿生可以讓城市規(guī)劃者對新設(shè)計進行模擬——例如嘗試可能影響交通擁堵或空氣污染的場景。
數(shù)字孿生和物聯(lián)網(wǎng)
物聯(lián)網(wǎng)傳感器的爆炸式增長是數(shù)字孿生成為可能的一部分。 隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的完善，數(shù)字孿生場景可以包括更小、更簡單的對象，從而為公司帶來額外的好處。
數(shù)字孿生可用于根據(jù)可變數(shù)據(jù)預測不同的結(jié)果。 通過額外的軟件和數(shù)據(jù)分析，數(shù)字孿生通?？梢詢?yōu)化物聯(lián)網(wǎng)部署以實現(xiàn)最大效率，并幫助設(shè)計人員在物理部署之前確定事物應該去哪里或如何運行。
數(shù)字孿生供應商
構(gòu)建數(shù)字孿生非常復雜，而且目前還沒有標準化平臺可以實現(xiàn)這一點。 數(shù)字孿生聯(lián)盟是一個由用戶組成的全球生態(tài)系統(tǒng)，他們正在推動數(shù)字孿生使用的最佳實踐，并定義新的數(shù)字孿生標準的要求。
數(shù)字孿生聯(lián)盟是一個致力于提高數(shù)字孿生技術(shù)的認識、采用、互操作性和開發(fā)的組織。 這是一個由用戶(包括行業(yè)、學術(shù)界和政府成員)組成的全球生態(tài)系統(tǒng)，他們正在推動數(shù)字孿生使用的最佳實踐，并定義新的數(shù)字孿生標準的要求。
與許多由初創(chuàng)公司推動的新興技術(shù)相比，商業(yè)數(shù)字孿生產(chǎn)品來自該領(lǐng)域一些最大的公司。 例如，通用電氣在其噴氣發(fā)動機制造流程中內(nèi)部開發(fā)了數(shù)字孿生技術(shù)，現(xiàn)在正在向客戶提供其專業(yè)知識，另一家深度參與制造的工業(yè)巨頭西門子也是如此。 為了不被這些工廠車間供應商超越，IBM 正在營銷數(shù)字孿生，作為其物聯(lián)網(wǎng)推動的一部分，而微軟則在 Azure 的保護下提供自己的數(shù)字孿生平臺。
企業(yè) IT 領(lǐng)域的數(shù)字孿生新聞
盡管數(shù)字孿生已經(jīng)存在了一段時間，但它仍然是一種早期采用者技術(shù)。 但提供數(shù)字孿生解決方案的供應商數(shù)量正在不斷增長，企業(yè) IT 行業(yè)最近對數(shù)字孿生產(chǎn)品的升級包括：
Forward Networks 推出了 AI Assist，這是內(nèi)置于其 Forward Enterprise 數(shù)字孿生平臺中的生成式人工智能功能。 該新增功能旨在讓網(wǎng)絡(luò)和安全運營專業(yè)人員通過自然語言提示全面了解網(wǎng)絡(luò)性能。 借助人工智能的幫助，不同技能水平的網(wǎng)絡(luò)工程師可以進行復雜的網(wǎng)絡(luò)查詢，從而快速評估網(wǎng)絡(luò)行為并識別潛在問題。
瞻博網(wǎng)絡(luò)推出了 Marvis Minis，這是一種人工智能原生網(wǎng)絡(luò)數(shù)字體驗雙胞胎，它使用該公司的 Mist AI 技術(shù)主動模擬用戶連接。 這樣，它就可以立即驗證網(wǎng)絡(luò)配置并檢測問題，而無需用戶在場。 Minis 產(chǎn)品模擬最終用戶、客戶端、設(shè)備和應用程序流量，通過無監(jiān)督的機器學習了解網(wǎng)絡(luò)配置，并主動突出顯示網(wǎng)絡(luò)問題。 Minis 的數(shù)據(jù)不斷反饋到 Mist AI，為最佳響應提供了額外的洞察來源。
諾基亞去年年底宣布，將其現(xiàn)有諾基亞網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生的功能擴展到包括所有 Android 設(shè)備。 Wi-Fi、專用和公共蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和性能數(shù)據(jù)可以自動實時收集并在諾基亞的邊緣平臺上進行處理，以便企業(yè)了解其運營變化如何影響網(wǎng)絡(luò)性能。
數(shù)字孿生的挑戰(zhàn)
數(shù)字孿生可以實時查看實物資產(chǎn)的運行情況，從而從根本上減輕維護負擔。 但請記住，Gartner 警告稱，并不總是需要數(shù)字孿生，而且可能會不必要地增加復雜性。 “對于特定的業(yè)務(wù)問題，[數(shù)字孿生]可能是技術(shù)過度殺傷力。 人們還擔心成本、安全性、隱私和集成。”
開發(fā)和部署數(shù)字孿生的潛在挑戰(zhàn)包括：
數(shù)據(jù)管理：電子電氣工程師協(xié)會(IEEE)資深成員、Hyperproof的首席信息安全官Kayne McGladrey在接受CSO采訪時表示，如果不解決數(shù)據(jù)所有權(quán)問題，特別是當一個組織與其他實體合作運營其數(shù)字雙胞胎時，數(shù)據(jù)所有權(quán)可能會成為一個問題。
安全性：CSO 在最近的一篇專題文章中指出，如果沒有實施適當?shù)木W(wǎng)絡(luò)安全控制，數(shù)字孿生可能會擴大公司的攻擊面，使威脅行為者能夠訪問以前無法訪問的控制系統(tǒng)，并暴露預先存在的漏洞。
供應商協(xié)作：數(shù)字孿生可能有多個工程師和設(shè)計師在模型上進行協(xié)作，因此創(chuàng)建并遵守有據(jù)可查的構(gòu)建和修改模型的實踐非常重要。
復雜性：數(shù)字孿生可能只能對單個物理資產(chǎn)進行建模，但在具有多個利益相關(guān)者和復雜流程的更復雜的環(huán)境中，公司可能需要投資更先進的數(shù)字孿生，而這反過來又需要先進的技能。
隱私：McGladrey 告訴 CSO，法律和監(jiān)管問題也會影響數(shù)字孿生。 主要問題是數(shù)字孿生的運營商能否確保其數(shù)字孿生中使用的數(shù)據(jù)的處理方式滿足隱私、機密性甚至數(shù)據(jù)存儲地理位置方面的監(jiān)管要求。
數(shù)字孿生技能
有興趣成為數(shù)字孿生專家嗎？ 這些技能要求很高，需要機器學習、人工智能、預測分析和其他數(shù)據(jù)科學能力方面的專業(yè)知識。 這就是大公司掛牌的部分原因：小公司可能會發(fā)現(xiàn)聘請顧問團隊比提高內(nèi)部員工的技能更合理。
