什么是数字孪生？

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如果你的工作中要使用3D模型及其数据，那么你很可能听说过作为潜在的分析与优化解决方案的“数字孪生”。那么，数字孪生究竟是什么？

按照最简洁的定义，数字孪生就是物理实体的3D模型，而且该3D模型的动画是由真实实体的实时数据驱动的。

一套数字孪生包括：

• 一个物理实体，它生成关于其运作的实时数据，或使用传感器收集关于其周边活动的实时数据。

• 一个该物理实体的3D模型。

• 从物理实体到3D模型的实时数据流送。

• 一个基于软件的机制，根据收到的实时数据，使3D模型的视觉表现与物理实体保持一致。

不过，理解数字孪生的定义是一回事，理解你可能需要数字孪生的原因则是另一回事。

为什么你需要数字孪生？

假设你的工作要求你优化一家工厂的生产流水线，尝试减少制造时间或成本。你的第一步工作就是构建该工厂的3D模型，其中包含了生产涉及的一切——机器、机器人、原材料、传送带、叉车、推车，乃至工人。然后，在那座实体工厂里，你对机器和机器人进行配置，让它们发送关于自身运作情况的实时数据，例如完成一个循环的时间长度。你在关键区域布置了传感器，以便了解什么时候会发生变化，比如一个货盘的原材料送达，或者成品装满某个容器。

接下来，你设置了一个软件界面，用于处理实时数据和实时更新3D模型。这时候你就有了这家工厂的最新情况的表示，可以在你的电脑屏幕乃至VR中查看——这就是这家工厂的数字孪生。

在任何时候，主管和工程师都可以通过观察数字孪生来“看到”工厂车间实况，甚至可以与其交互。可以拉近视角来查看某个特定流程的运行情况，也可以拉远视角来查看它对整体流程的影响。还可以通过数学模型和工具，进一步分析捕获的数据。

从这个例子你就可以看出，数字孪生能够服务于多种用途：

• 工厂管理

• 城市规划

• 无人驾驶汽车测试

• 使用情况、流量、工作流程分析

数字孪生提供数字信息以及可视化信息，帮助设计师、建筑师、工程师和其他相关利益方以前所未有的方式直观了解各种结构。通过使用数字孪生，传统分析方法难以辨别的模式可以清晰显现，让你对于如何提高效率洞若观火。

以城市规划为例，如果获得对交通模式的鸟瞰图以及精确到毫秒的车流变化和交通信号灯数据，就可以帮助城市规划人员分析交通模式，确定在哪些位置添加新的信号灯或改变现有信号灯的切换时机。这样的数字孪生还可以帮助他们判断添加新购物中心或办公楼的可行性，或者新增一条高速公路出口匝道是否能缓解市中心的拥堵。

对于无人驾驶汽车，可以将来自传感器的数据与车辆的速度、制动、启动和转弯数据相结合，应用于3D模型，从而了解车辆任何时候的动态。可以将视角拉近到仪表盘，查看那里的视野，也可以在车辆运动时获得不断变化的实时数据指标。使用数字孪生，工程师可以获得单靠数据流送难以把握的深刻见解。

通过工厂的数字孪生，你可能会注意到，如果把某些原材料或机器人放置在离特定机器更近的地方，可以大大缩短生产时间。

简而言之，数字孪生提供了通过监视与分析资产、工艺和工作流程来节省时间与金钱的途径。

数字孪生技术：实现它的新型工具

如果你熟悉Maya或3ds Max之类的数字内容创建（DCC）软件，那么你肯定知道，这类软件包都有内置的脚本语言，因此用户早就能通过脚本来控制3D模型了。现在许多数字软件供应商已经提供了对实时数据源的RESTful API¹连接和访问。

换句话说，我们早就有了用来创建数字孪生的工具。但是直到最近，数字孪生的门槛仍然很高——需要一名精通业务的程序员进行初始设置，然后需要一名用户体验（UX）设计师来设计，使非技术人员也能使用数字孪生。创建和维护数字转生需要耗费大量时间与精力。

这就是实时技术能够带来变革的地方。使用游戏引擎来设置和维护数字孪生要比从头开始编程方便快捷得多。而且，由此得到的成果和任何设计良好的游戏一样，能够让任何人方便地导航与使用。

各行各业都已将游戏引擎用于建筑设计、电影摄制、航空航天和汽车等领域的非游戏性应用，正在创造各种各样的模拟、VR体验和实时可视化。既然已经有了现成的3D模型，对这些行业来说，开发数字孪生就是顺理成章的事。

怎样应用数字孪生？

让我们来看看不同行业中数字孪生的一些实例。

城市规划与基础设施

数字孪生最突出的用途之一就是虚拟城市，也就是使用数字孪生来监控城市基础设施和进行未来规划。

创建了中国人口最多的城市的完整虚拟克隆。数字孪生使城市的管理者们能够监控从交通设施运作到桥梁维护的各个方面。他们甚至能够使用预测数据模拟洪水，以进行防灾规划。

——实体模型与投影图像相结合，使这座城市的开发计划以三维形式呈现在人们面前。从房地产数据源和地理系统聚合的数据使地图得到精确绘制，让人们能够洞察租金增长、预期交通数据、实时车流，乃至太阳能分析。

——人们构建了这座澳大利亚城市的比例模型，未来将作为数字孪生使用，城市规划者期望将它用于从分析视线到在市政工作中防患于未然的各种用途。

航空航天

芬兰航空公司是最先采用数字孪生的航空航天公司之一，目前它使用该技术 。

汽车

汽车业正在使用多种实时技术，从人机界面²到无人驾驶汽车开发，推动设计、制造、测试和销售的每个阶段的进步。随着新技术呼之欲出， 。

数字孪生与智慧城市的对比

你将会经常听到“智慧城市”这一提法，其应用之广泛不亚于数字孪生。虽然两者都利用了实时技术，而且被用于相似的用途，但它们并不是一回事。

智慧城市从城市环境中的实时物联网（IoT）设备收集数据，并使用这些数据进行分析、测试、优化和预测检验。例如，智慧城市可以收集关于交通模式的数据，以指导交通灯的切换时机。智慧城市可能使用也可能不使用3D模型——它收集的数字化数据完全有可能不涉及可视化表示。

另一方面，数字孪生必定包含3D模型，但不一定涉及预测数据。为了提高性能，这类3D模型往往会经过优化，它可以使用DCC通过激光雷达扫描、照相测绘乃至程序化方式创建。

一套数字化表示有可能既是智慧城市，也是数字孪生。下面的图表突出了两者的异同。

虚幻引擎与数字孪生

虚幻引擎是许多数字孪生应用程序选择的工具。它的蓝图可视化脚本系统³使非技术性用户不必编写任何代码也能程控3D模型的过程。此外，它的Live Link插件⁴是专为接受用于处理的实时数据而设计的。

“突然之间，我们这样的小团队也能非常轻松地制作交互和功能，用来使我们的演示变得更好。”Tyréns的可视化专家Jonas Gry Fjellström说，他所在的企业是一家为各种客户创建数字转生的瑞典咨询公司，“实时模型可以直接解决许多在其他情况下需要反复研究的问题。”

虽然现在还没有发展到即插即用的地步，但在虚幻引擎这样的免费游戏引擎帮助下，数字孪生技术已经可以被任何能够创建其资产的3D模型的企业所利用。

“实时技术让每个人都能看到同样的信息，并更快地作出决定。”IMERZA的联合创始人兼技术总监Dorian Vee说，“这样一来就可以降低成本，减少变更订单，并改善总体设计。”

数字孪生的未来

数字孪生必将成为许多不同行业的关键IT工具。根据Engineering.com⁵的说法，数字孪生是与人工智能（AI）和机器学习（ML）并列的十大战略性技术趋势之一。

未来的一个关键领域就是供应链，因为制造流程要依靠送达的零件来实现准时化制造。供应链的数字孪生由许多物品和仓库组成，可追踪库存和潜在交付时间。这样的数字孪生能够模拟和评估许多不同供应链方案的绩效，为经理们提供做出优化制造过程的决策的手段。

随着采用率持续增长，我们有望在包括城市规划、产品开发和工厂模拟在内的各个领域看到更多数字孪生的用例。

“能够为一个行业带来革命的事物本来就不多见。而同时给多个行业带来革命的东西可能一百年才会出现一次。”Vee说，“虚幻引擎就是这样。”

文中提及的相关链接

[1] RESTful API

https://searchapparchitecture.techtarget.com/definition/RESTful-API

[2] 人机界面

https://www.unrealengine.com/zh-CN/industry/hmi

[3] 蓝图可视化脚本系统

https://docs.unrealengine.com/zh-CN/ProgrammingAndScripting/Blueprints/index.html

[4] Live Link插件

https://docs.unrealengine.com/zh-CN/AnimatingObjects/SkeletalMeshAnimation/LiveLinkPlugin/index.html

[5] Engineering.com

https://www.engineering.com/story/41008

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