数字孪生的盛行-新一轮万亿市场的产业变革

发布时间:2021-04-09 17:49:17 作者:臻图信息 阅读量:363

 下面让我们介绍一下一个在产业界如火如荼,但公众还十分陌生的概念:数字孪生DigitalTwin)。在解答这个晦涩难懂的概念前,我首先联想到了一个人,原苏联知名的昆虫学家、数学家和哲学家——柳比歇夫。在26岁那年,他独创了一种“时间统计法”,可以通过记录每一天做的每件事情所花费的时间,经过统计分析,进行每月小结和年终总结,由此来改善工作方法,计划未来事务,进而提升对时间的利用效率。

 

 这个“时间统计法”,他沿用了56年,直至逝世。那么,他的学术成果呢?着实十分惊人,一生发布了七十多部专著。但他并不是一个整天钻进书斋里的老学究,从那本《奇特的一生》中,可以发现他的业余时间十分充裕,甚至于每一天只需工作几个小时,他还能完成大量的社交、旅行还有休闲。

 讲到这里,我们可能会觉得十分惭愧。言归正传,这里讲到柳比歇夫和他的“时间统计法”,是因为这个方法跟下面要讲的“数字孪生”十分相似。他几乎忠实的记录了每一天所有事物的时间,精确到多少时长。这就犹如在日记本上完全复刻了一个柳比歇夫的数字分身。让我们通过观看他的这本时间笔记,就能知道他这一生做了哪些事情。

 如果再将这些记录输入电脑,做出数据表格,打上各种标签,我们就可以对其完成的各类事情进行精准的分类统计和分析。如此这般,我们就能建立一个更多维度的柳比歇夫。仔细想一想这个办法用在我们身上,是不是也可能产生“奇迹”。不过,“数字孪生”的野心更大,其想实现的是对整个物理世界的完整的数字映射。

1、数字孪生:为物理世界“复制”一个虚拟数字分身

 “数字孪生”(DigitalTwin)这个概念正式提出是在NASA的2010年的一份技术报告当中,那时候给出的一个狭窄定义是“集成了多物理量、多尺度、多概率的系统或飞行器仿真过程”,接下来,“数字孪生”概念和相关技术主要应用在航空航天领域的飞行器健康管理,包括像机身设计与维修,飞行器能力评估,飞行器故障预测等应用当中。

 不过,“孪生”的概念在二十世纪六十年代就已经出现,那时候美国NASA在“阿波罗计划”中,创建了两个完全相同的航天飞行器,其中一个发射到太空执行任务,另一个留在地球上用来反映太空中航天器在任务期间的工作状态,进而协助工程师分析处理太空中出现的紧急事件。此时,两个航天器都是真实存在的物理实体,也就是还未形成“数字孪生”的概念。

 到2003年左右,美国密歇根大学教授Grieves首次在“产品的全生命周期管理”课程上提出了“数字孪生”的构想,只是当时将之称为“ConceptualIdealforProductLifecycleManagement”,PLM的主要构想便是在虚拟空间创建一套数字模型,可以与物理实体进行交互映射,完整描述物理实体全生命周期的运行轨迹。

 现如今,伴随着数字化技术在消费互联网和产业互联网的深层次应用,“数字孪生”概念和技术获得了更加广泛地推广和应用。在2019年,“数字孪生”这一术语已经被Gartner列入2019年十大战略性技术趋势之一。

 如何来解释“数字孪生”概念呢?从国际标准化组织的定义来看,数字孪生是具备数据连接的特殊物理实体或过程的数字化表述,该数据连接可以保证物理状态和虚拟状态之间的同速率收敛,并提供物理实体或流程过程的整个生命周期的集成视图,有益于提升整体性能。

 简单来说,便是针对于物理世界的实体,利用数字化手段创建一个数字世界中的“完整分身”,能够和物理实体保持实时的交互联接,凭借历史数据、实时数据以及算法模型等,通过模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程,实现对物理实体的了解、分析和提升。从上述定义可以看到,数字孪生所具备的特征,包含:

 1)互操作性,即数字孪生中的物理实体和数字空间的虚拟实体能够双向映射、动态交互和实时连接。

 2)可扩展性,即数字孪生技术具备集成、添加和替换的能力,能够针对多尺度、多物理、多层级的数字模型内容进行扩展。

 3)实时性,即数字化虚拟实体可对物理实体进行随时间轴变化而进行实时状态的数字表征。

 4)保真性,即数字化虚拟实体与物理实体保持在样态、状态、相态和时态上的高度仿真。

 5)闭环性,即数字化虚拟实体可以表述物理实体的可视化模型和内在机理,以便于对物理实体状态数据进行监控、分析、推理、优化工艺参数和运行参数,实现决策功能,形成闭环性。

2、“万物皆数据”:无处不及的数字孪生应用场景

 现阶段,在海内外错综复杂的经济政治格局下,数字经济在促进经济发展,提升 劳动生产率,打造新市场和产业新突破点,实现包容性增长和可持续增长等诸多方面都在发挥着重要的功效。根据最新数据,2019年数字经济占据我国GDP的比重已经达到36.2%,数字经济增加值规模达到35.8万亿元。

 数字孪生做为数字经济之中一项关键技术和高效能工具,可以有效的发挥其在设计模型、数据采集、分析预测、仿真模拟等方面的功效,助力推动产业数字化,促进数字经济与实体经济融合发展。

 现如今,归功于物联网、大数据、云计算、人工智能等全新一代信息技术的快速发展,数字孪生在各领域获得愈来愈广泛的应用实施。

3、支撑万亿规模的市场变革:数字孪生的未来产业图谱

 数字孪生的产业版图可以从其技术生态系统的图谱来了解,行业报告将数字孪生区分为“基础支撑”、“数据互动”、“模型创建”、“仿真分析”、“共性应用”、“行业应用”6大核心模块,匹配从设备、数据到行业应用的全生命周期。

 

 现阶段,海内外重点厂商主要有建模业务、仿真业务、平台业务、行业服务业务四大类。

       在基础支撑层面,主要是可以创建数字孪生基础的物联网终端提供芯片、传感器业务等厂商。目前而言现如今全球所有芯片巨头都将物联网芯片做为未来的重点战场,物联网传感器也是众多美国、日本、德国半导体公司争夺的重点市场。另外像监控设备这样的边缘设备,我国的企业具有比较强的优势。

 在数据互动层,数字孪生的创建需要通过软件定义的工具和平台提供支持,现阶段这些工具和平台主要都掌控在国际的软件巨头手中,比如Bentley的iTwinService,ANSYS的TwinBuilder,微软的Azure,达索的3DExperience等。

 在仿真分析层,为数字化模型中加入物理规律和机理的计算、分析等能力,必须使用到仿真软件,包含像CAD、EDA等工业仿真软件和像交通、物流领域的复杂系统仿真软件。现阶段我国在仿真软件的国产化上,还没法达到国外一线产品的水平。

 在模型构建层,在我们国家主要进行数字化建模服务的企业以国有测绘企业为主,市场规模现阶段达到数百亿,但提供测绘数据服务的软件仍以采购国外软件为主。

 在共性应用层,也同样依靠国外主流的这几家软件工具和平台提供支持,虽然现阶段还欠缺融合数字孪生综合功能需求的一体化平台出现,但是不同行业、应用场景的界限正在打通。

 

 在支撑技术层,面向云计算、人工智能、边缘计算、安全等技术领域的企业都在从其自身优势领域切入数字孪生的产业布局中。

 在行业应用层,汇聚了数千家海内外企业,针对各行业需求的数字孪生技术,提供包含像智慧城市、交通、水利、工程、工业生产、能源、自动驾驶、公共应急等领域的各类应用服务,有些行业市场规模都普遍超千亿,智慧城市更是一个综合规模上万亿的巨无霸市场。

 总体上,仍然是具有基础软件平台的企业有先发优势和实力,而像国内的一些制造企业也在积极部署数字孪生系统,开始推动这一惠及万亿规模产业变革的新蓝海。

 

 根据Gartner的研究,截至2019年1月进行物联网建设的企业中,已经有13%的企业实施了数字孪生项目,还有62%的企业正在实施或者有计划实施。不论是数字孪生的产学研生态,还是在各行业中的产业应用,数字孪生正在全面开花,成为无论是产业互联网还是新基建等宏观布局中重要的技术支撑。

 也是在2019年初,凯文·凯利在《连线》杂志发文,提出“镜像世界”的概念。他把“镜像世界”当作互联网历史上第三次划时代意义的的技术平台,第一次是PC上将信息数字化的万维网,第二次是移动时代将人类数字化的社交媒体,第三次便是将整个世界数字化的“镜像世界”。

 由此来看,凯文·凯利的“镜像世界”,更多是站在公众角度对于“数字孪生”概念的一次演绎,而数字孪生本身便是推动这场“镜像世界”加速来临的底层力量。

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