1.1 數字孿生簡介

隨著先進的、創新的且復雜的工程系統的涌現，我們見證了在嚴苛環境中仍然表現出色的新技術的誕生。在工業4.0時代，這類技術的發展尤為迅猛，數字孿生技術便是其中的佼佼者。近年來，數字孿生以其獨特的優勢已經成為工業界和學術界關注的焦點。

數字孿生是用兩個詞命名的，是具有巨大能量的強大技術，足以精確復制現實世界的設備、產品和流程等。數字孿生是在虛擬環境中運行的，本質上是現實世界中實體的數字化映射。這是數字孿生的一個基本定義，本章還會進一步介紹數字孿生的其他基本定義和簡明解釋。

當前，虛擬環境在各行業中都發揮著重要的作用。例如，在醫療行業，遠程診斷可以在虛擬環境中通過視頻會議實現；在教育行業，也可以通過視頻會議將傳統線下課堂轉移到虛擬平臺上教學。同樣，在其他眾多行業中，虛擬環境也在發揮著重要作用，并且十分有效。數字孿生就是一項在虛擬環境中運行的技術，它能應用于眾多全球化產業，如工業、醫療、建筑等，并能為這些產業帶來諸多優勢和價值。

當為現有的對象或系統創建數字孿生時，它在該特定對象或系統的整個生命周期中仍然與其原始的現實世界的物理對象相連接。這種連接性是數字孿生的一個重要特點。借助這種連接性，現實世界對象或系統的所有實時數據都可以傳輸到數字孿生模型，并實時更新。因此，數字孿生模型本質上并不是靜態的，它會隨著其復制的現實對象的變化而變化，即它會隨著現實對象的實時數據的變化而自動更新。當現實對象發生任何變化時，數字孿生模型也會發生相應的變化，這是數字孿生的一個巨大優勢。

數字孿生的這個優勢決定了它強大的應用價值。在輔助產品設計，制造過程管理，以及產品、生產設備和系統的監控和優化方面，數字孿生能為各利益方帶來顯著的價值。

為了促進產品或設備創新，實驗是不可或缺的一環。對于現有產品，同樣可以通過實驗來改進和完善，從而推出新版本。無論是針對新產品還是現有產品，即使在實驗中采取了所有必要措施和預防措施進行謹慎的干預，實驗結果仍充滿變數。

實驗一旦成功，就能給產品帶來巨大價值；但產品也可能會在其生命周期中隨時遭遇問題，從而產生不利影響。因此，人們希望有一項新技術，可以預測產品在其生命周期的任何階段可能遇到的問題，并采取必要的預防措施，避免問題在現實中發生。數字孿生則是針對這類情形的最佳選擇。

數字孿生可以預測出產品可能遇到的問題。這不僅僅局限于產品，也可以是任何系統或流程。因此，數字孿生有能力將問題扼殺在搖籃中。

盡管數字孿生概念的提出已有數十年的歷史，但它只是在近幾年才開始展現其影響力。在工業4.0的浪潮中，它預示著行業格局的重大變革，特別是在制造領域。

數字孿生是工業4.0藍圖的重要組成部分，數字孿生可模擬和優化生產系統，推動制造業的變革。眾多要素共同驅動制造業的未來發展，數字孿生便是其中之一。日益盛行的信息物理系統（Cyber Physical System，CPS）、物聯網（IoT）、大數據分析和云計算等，為數字孿生在制造業的低成本和系統化實施鋪平了道路。

當前，致力于構建復雜系統的全屬性的先進產品制造商，對數字孿生技術表現出了極大興趣。數字孿生的成功實施，關鍵在于其創造的價值，即對制造商和終端用戶帶來的價值總和。The digital twin: Realizing the cyber-physicalproduction system for industry 4.0（Uhlemann，2017）（《數字孿生：實現工業4.0的信息物理生產系統》）提出了在中小企業實施數字孿生生產系統的建議，并且闡述了數字孿生對制造業產生的巨大影響。

數字孿生在制造業預算管理中扮演著節省成本的關鍵角色。無論是設備、產品還是系統預算，制造業預算往往為潛在問題預留空間。一旦企業完成預算編制，生產過程中的產品或對象可能因各種原因需要返工或遇到一些問題從而產生浪費；若能預防這些問題或浪費，便能降低成本，無論生產對象為何。數字孿生還能減少停機時間，實現預測性維護。這不僅能節省成本，還能確保產品按時交付，滿足客戶對交付期限的要求。

在任何情況下，因制造過程中的問題返工都會增加成本和工時。若數字孿生能預防問題、錯誤或停機，并進行預測性維護，生產任務便能按時完成，滿足交付期限要求，無需額外工時。

數字孿生技術的另一個巨大優勢是它能夠以數字形式呈現原始產品或系統等，現實世界對象或系統中正在發生的變化也會在數字孿生模型中同步發生，這是數字孿生的核心功能。一旦數字孿生創建完成，無論它是產品孿生還是系統孿生，由于它們是在虛擬環境中運行的，人們不需要親臨現場即可遠程監控，提升了觀察和監控的效率。

與推動數字孿生技術發展和應用的其他關鍵因素一樣，數字化的廣泛應用及其可訪問性對數字孿生技術也具有直接或間接的重要作用。若數字化發展不足、傳播不廣或難以訪問，那么數字孿生技術在各行業的快速滲透將會受阻。因此，數字化的廣泛應用和可訪問性對數字孿生技術的發展產生了非常重要的積極影響。

如今眾多行業應用數字孿生技術已經是一個顯著和新興的趨勢，其中包括建筑業、服務業、工業等。建筑業已經為數字孿生提供了眾多應用場景，例如，數字孿生城市的設計就是通過數字孿生對真實城市進行建模，生成數字化映射。Exploring technology-driven service innovation in manufacturing firms through the lens of service dominant logic（West，2018）（《從服務視角探討制造企業技術驅動的服務創新思維方式》）提出為了在產品服務系統中提供數字化服務，有必要了解一些如服務生態系統、服務平臺和價值共創的相關內容。On the requirements of digital twin-driven autonomous maintenance（Khan，2020）（《數字孿生驅動的自主性維護需求》）指出人們越來越傾向于通過數字孿生進行自主性維護。Exploring the role of digital twin for asset lifecycle management（Macchi，2018）（《探索數字孿生在資產生命周期管理中的作用》）指出數字孿生有望豐富現有的資產信息管理系統。將數字孿生與可信的數據共享技術（如區塊鏈）相結合，可以為研究供應鏈開辟新賽道，集成的數字孿生和區塊鏈構架使所有數據交易都可追蹤。

在各行業應用數字孿生都能產生很多效益，例如，數字孿生可用于制造業環境分析。制造業的傳統定義是將原材料轉化成物理產品的過程，在這個過程中，數字孿生能夠通過對制造環境進行優化、維護和運營監控，從而產生價值。在其他重要行業，如醫療行業，數字孿生也非常有價值，后續章節還會對數字孿生在不同行業的應用價值進行詳細討論和說明。

2017年，數字孿生被Gartner（高德納）評為十大戰略技術趨勢之一，數字孿生的技術優勢將有助于數字孿生獲得更高的知名度。

在對數字孿生進行了簡要介紹后，接下來將介紹數字孿生的基本定義及相關說明。