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開車的人都怕遇到這種情況：車輛在野外突然拋錨，自己不會修，附近也沒維修店。如果這輛車配有一個數(shù)字孿生系統(tǒng)，與它一同運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)顯示車輛各部分運(yùn)行狀況，提前告知可能會出現(xiàn)的故障以進(jìn)行維護(hù)，那么就能減少車輛意外拋錨情況的發(fā)生。

這項(xiàng)功能被稱為“預(yù)測性維護(hù)”，是數(shù)字孿生技術(shù)的重要優(yōu)勢。數(shù)字孿生是指物理空間中的對象在虛擬空間中的數(shù)字模型，該模型通過傳感器隨時(shí)獲取真實(shí)物體的數(shù)據(jù)，并隨之一起演變、成熟甚至衰老。利用該模型，人們可以對物理對象進(jìn)行分析、預(yù)測、診斷或者訓(xùn)練，從而優(yōu)化和決策。這個數(shù)字模型就像是真實(shí)物體的孿生兄弟，因而得名。小到一顆螺絲釘，大到一座城市，物理世界中的各種事物均可擁有數(shù)字孿生模型。

數(shù)字孿生并不是全新技術(shù)，而是建模仿真技術(shù)在制造領(lǐng)域的新發(fā)展之一。與一般的建模仿真相比，數(shù)字孿生的模型是數(shù)字化、動態(tài)的，數(shù)字模型與其物理對象始終保持一致。數(shù)字孿生這一術(shù)語最早應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，即用數(shù)字孿生模擬飛行器執(zhí)行任務(wù)前的虛擬飛行，從而對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析和優(yōu)化。此后，數(shù)字孿生越來越受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注。

目前，數(shù)字孿生技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。在虛擬空間構(gòu)建產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型，完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化，甚至模擬工廠布局，實(shí)現(xiàn)資源調(diào)配、智能化生產(chǎn)，顯著提高生產(chǎn)效率。德國西門子公司推出了較為完整的企業(yè)數(shù)字孿生體系，用數(shù)字孿生技術(shù)打造虛擬車間、數(shù)字工廠。美國通用公司在其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺Predix上利用數(shù)字孿生技術(shù)，對飛機(jī)發(fā)動機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障檢測和預(yù)測性維護(hù)。美國特斯拉公司為其生產(chǎn)的車輛配備了數(shù)字孿生模型，通過傳感器接收數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)更新程序。據(jù)估計(jì)，到2021年，全球50%的大型工業(yè)企業(yè)將使用數(shù)字孿生技術(shù)，效率將提高10%。

數(shù)字孿生將是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要內(nèi)容。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，數(shù)字孿生的應(yīng)用空間正不斷擴(kuò)展。數(shù)字孿生技術(shù)可以給醫(yī)療保健和病人護(hù)理帶來革命性變化。患者穿戴上傳感器，由人工智能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)字孿生模型就隨之生成，其體征變化會如實(shí)反映在模型上。醫(yī)生可時(shí)刻監(jiān)測病情進(jìn)展，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問題，并在數(shù)字孿生模型上進(jìn)行試驗(yàn)，以獲得最佳治療方案。數(shù)字孿生技術(shù)還可以大大縮短新藥從開發(fā)到上市的時(shí)間。此外，城市管理、智慧農(nóng)業(yè)、教育培訓(xùn)等都將是數(shù)字孿生技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。

不過，數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展也面臨許多挑戰(zhàn)。其中最主要的是保證所建立數(shù)字模型的可信性。建立一個高質(zhì)量的數(shù)字模型，并使其能夠最大程度反映物理對象的特性，這一工作仍任重道遠(yuǎn)。目前，數(shù)字孿生在很多場景還只能作為決策輔助或參考。

（作者為北京航空航天大學(xué)自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院教授、國際建模仿真學(xué)會前主席）