如果您关注过与产品开发、预测分析或基于物联网的环境监测相关的新闻，那么近年来您很可能听说过“数字孪生”或“数字孪生建模”一词。但究竟什么是数字孪生体？用最简单的术语来说，它是现实世界中存在的物理对象，设备或结构的虚拟表示。

这项创新技术还有更多内容，我们将深入研究其在制造、医疗保健和供应链管理等领域快速发展的用例的影响。但首先，重要的是要了解是什么导致了对数字孪生体开发以及当今用例的广泛兴趣和投资。

数字孪生体自20世纪60年代以来就已经存在，从概念上讲，从2002年开始更广泛地普及 - 直到最近，这一领域的创新才爆炸式增长。随着数字化能力在客户体验和运营中变得越来越重要，数据驱动的洞察已成为推动创新和价值创造的力量。

因此，数字孪生体开始优化产品和流程的开发和性能。让我们来探讨一下如何做到这一点。 什么是数字孪生技术？ 让我们从数字孪生体定义开始。数字孪生是基于使用连接的传感器收集的实时数据的虚拟模型。这些虚拟孪生体，有时被称为，旨在反映现实世界的对象，机器和过程 - 使系统设计人员和技术人员能够模拟现实世界系统的物理属性和性能。

数字孪生过程创建了一个数字表示，该表示可以随着物理版本随时间的变化而更新，无论它是否受环境条件的影响或修复。为了捕获这些变化，对象需要安装物联网传感器，旨在捕获和传输有关对象或设备的物理特征和性能的数据。

这些信息可以包括物体的形状、能量使用情况、材料应力水平、温度或性能。然后，收集的信息被处理并用于创建或更新虚拟表示。

创建后，数字孪生体可用于运行两种类型的模拟：

基于当前：可视化如果当前条件被修改，物理对象将如何反应。

面向未来：运行预测模拟以显示对未来条件的响应。

数字孪生的种类有哪些？ 总体而言，无论以何种类型进行数字化表示，数字孪生体的创建方式（使用物联网设备和软件）都相当一致。
数字孪生体的复杂性可能很大，因为所需的数据量取决于虚拟表示的预期用途。通常，组织将创建数字孪生的初始原型，以确定如何最好地整合所需的所有数据。常用的数字孪生体有三种功能类型：

状态数字孪生：用于监测物理对象和设备的物理状况

运营数字孪生：用于允许用户根据链接的操作或工作流调整操作参数

模拟数字孪生：用于预测对象或设备将来如何响应操作条件，这有助于预测性维护和产品开发

如何使用数字孪生技术？ 由于数字孪生体设计有如此多的变体，因此也有许多方法可以对这些虚拟副本的设计和功能进行分类。

例如，组织可能需要虚拟孪生的所有这些系统体系结构：

离散数字孪生：用于可视化、监控和分析单个设备

复合数字孪生体：由多个离散数字孪生体组成，用于表示具有多个组件的设备或进程

组织的数字孪生 （DTO）：整个组织的组件和交互的高度复杂的表示

然后，对于这三种数字孪生系统架构中的任何一种，数据的使用方式都可以分为五类或两个级别：

描述性孪生是对象或设备的虚拟表示，可以使用建筑信息建模 （BIM） 软件的 3D 建模对其进行编辑和分析。

信息孪生将数字孪生向前推进了一步，并从感兴趣对象或设备上的物联网传感器获取物理和操作数据，并实时更新虚拟副本以匹配其现实世界的对应物。

预测孪生将用于创建信息孪生的实时数据与其他上下文数据和预测分析相结合。这允许建模和基于演示的仿真，可以识别或预测性能或结构完整性问题。

综合数字孪生使用更高级的建模来预测所呈现的对象或设备将如何响应尚未发生的基于未来的场景。用于此类数字孪生的规范性分析可以为下一步（例如，维护，产品设计）提供建议。

自主数字孪生还使用基于未来的模拟以及高级算法，做出人工智能和机器学习（AI / ML）驱动的决策，以根据物体的过去性能或物理条件来响应不断变化的环境条件。

目前哪些行业使用数字孪生模型？ 数字孪生技术可用于以多种方式创造业务价值。这完全取决于数据源的多样性，功能类型（即离散，复合或DTO）以及所创建的虚拟表示的级别（即描述性，信息性，预测性，全面性或自主性）。

数字孪生技术可以适应几乎每个行业的组织，以及当今使用数字孪生体的一些行业，包括Digi为物联网产品开发，网络，自动化，预测分析和工业4.0的未来提供技术解决方案的多个垂直空间：

制造业： 该技术可用于可视化、监控和改进工厂车间的制造过程。借助全面或自主的数字孪生体，组织甚至可以确定避免未来资产损失和收入损失的方法。

医疗：目前，数字孪生体最常用于三种类型的医疗保健用例：

模拟和测试不同的组织和护理服务模式

侵入性外科手术培训

基因组，生活方式和生理建模，以开发个性化药物。

航空航天：数字孪生实际上首先用于航空航天工程，现在该领域的工程师可以更好地使用预测分析来测试组件和零件的故障，而不会危及昂贵的设备或安全性。

汽车：除了改善汽车行业的标准制造外，数字孪生还被用于帮助开发自动驾驶汽车。自动驾驶汽车需要物联网传感器来收集有关汽车及其环境状况的数据。虚拟副本可用于在各种场景中测试车辆的功能。

建筑和工程：建筑物的数字孪生体可用于设计更适合其环境的建筑结构，并监控现有建筑物的材料故障，从而降低倒塌风险并支持预测性维护。

数字孪生技术的一般用例
在实施特定于行业的用例之前，开发人员和数据科学家需要共同努力，以确定需要表示哪些组件。同一个现实世界的对象可能需要截然不同的数据输入，具体取决于数字孪生模型的最终目标：

材料或组件

整个资产或产品

一个系统

一个过程

让我们探讨数字孪生技术可以帮助加速和改进的三大类用例。
产品开发与设计 组织在产品开发和设计方面投入巨资以保持竞争力，特别是在汽车，制药和制造等行业。此外，公司一直在寻找在不牺牲质量和产品市场契合度的情况下更快地开发产品的方法。
数字孪生体可以帮助改进产品开发和设计，使产品团队能够：

使用虚拟仿真进行压力测试材料

将物理原型的早期反馈整合到虚拟表示中

一次创建多个产品版本以测试和收集反馈

流程和运营优化 当今的组织还希望优化其内部流程和运营 - 无论是在工厂车间，供应链还是企业资源规划。创建数字孪生体可以帮助公司更好地：

分析生产结果并规划提高生产力和效率的方法

识别浪费和浪费时间的领域，并测试如何减少浪费和浪费时间的模拟

实施预测性维护或自主操作，保护贵重设备、系统或流程免受代价高昂的损坏或停机

环境监测与灾害应对 通过开发制造、农业或供应链流程的数字孪生体，当环境条件或设备故障使其现场和员工暴露于不安全条件或使当地环境面临风险时，组织可以更快地做出响应。使用更复杂的数字孪生体启用的警报还可以帮助现场经理和员工快速有效地做出响应，以降低灾难发生时对公共卫生和环境安全的风险。
数字孪生技术的价值是什么？ 预计未来几年，全球数字孪生技术市场将继续呈爆炸式增长，预计从2022年到2027年的复合年增长率（CAGR）为31.7%。这是因为使用数字孪生模型不仅可以提高生产力和效率，还可以帮助加速创新。
通过数字孪生提高生产力和效率 在无穷无尽的场景中，创建数字孪生体可以提供洞察力和价值。随着人工智能建模和支持物联网的数据收集的进步，公司可以更好地预测产品、设备和流程将如何对新的环境条件或压力源做出反应。

公司无需创建昂贵的原型来测试或在事件发生后做出反应，而是可以探索虚拟环境中的潜在影响。这导致以更低的成本实现价值的速度 - 这正是近年来数字孪生快速增长的原因。
使用数字孪生加速创新 尽管数字孪生体被用来代表已经存在的东西，但实际上，它们是实现尚未实现的创新的最佳途径之一。创建数字孪生体使产品设计师、开发人员、工程师和数据科学家能够协作并设想材料、产品或流程的未来版本，同时还可以模拟各种场景来评估性能。
因此，数字孪生技术可以帮助组织确定采取哪些途径来实现创新，并以更少的时间、精力和成本更快地交付价值。
数字孪生与智慧城市的未来 如今，各行各业的公司都投入巨资寻找绿色技术解决方案，以减少对环境的影响，提高生产力，同时降低运营成本。公司需要支持物联网的解决方案来支持许多最有效的可持续发展解决方案，这些解决方案可以帮助他们减少对环境的影响，并在灾难发生时避免或做出响应。