數字孿生是物理設備的虛擬副本，IT專業(yè)人員和數據科學家可以在構建和部署實際設備之前使用它來運行模擬。數字孿生還可以獲取實時物聯網數據，并應用人工智能和數據分析來優(yōu)化性能。
數字孿生(模仿物理對象或系統的結構和行為的數字表示)的使用正在增加。 在傳感器技術、人工智能和數據分析進步的推動下，數字孿生技術已經超越了最初的制造業(yè)，進入了許多其他行業(yè)。
在IT世界中，企業(yè)可以使用數字孿生來復制其IT環(huán)境，包括基礎設施、網絡設備和物聯網(IoT)設備，然后運行模擬或假設場景來測試變化的影響并進行優(yōu)化 表現。 例如，它們可用于驗證網絡的當前狀態(tài)，并測試配置更改、固件更新或安全策略調整。
什么是數字孿生?
數字孿生是物理對象或系統的數字表示。從本質上講，數字孿生是一種計算機程序，它將有關物理對象或系統的真實世界數據作為輸入，并產生預測或模擬該物理對象或系統將如何受到這些輸入的影響。
數字孿生概念首先出現在美國宇航局：早期太空艙的全尺寸模型，在地面上用于鏡像和診斷軌道上的問題，最終讓位于全數字模擬。
數字孿生背后的技術已經擴展到包括建筑物、工廠甚至城市，一些人認為甚至人和流程也可以擁有數字孿生，從而進一步擴展了這一概念。
在Gartner 將數字孿生列為2017年十大戰(zhàn)略技術趨勢之一后，并表示在三到五年內，“數十億事物將由數字孿生(一種物理事物或系統的動態(tài)軟件模型)來代表”，這一術語才真正開始流行起來。
Grand View Research表示，如今，數字孿生技術因其彌合物理世界和虛擬世界之間差距的潛力而繼續(xù)獲得吸引力。該公司表示，預計從2023年到2030年，全球數字孿生市場將以38%的復合年增長率(CAGR)擴張。Grand View表示，將人工智能(AI)、云計算和物聯網等技術納入數字孿生系統，預計將在預測期內推動市場增長。
數字孿生如何運作？
數字孿生是由專家(通常是數據科學或應用數學專家)構建的。 這些開發(fā)人員研究被模仿的物理對象或系統背后的物理原理，并使用該數據開發(fā)數學模型，以模擬數字空間中的真實世界原始狀態(tài)。
孿生體的構造使其能夠接收來自傳感器的輸入，這些傳感器從現實世界的對等體收集數據。這使得孿生體可以實時模擬物理對象，在此過程中提供對性能和潛在問題的見解。孿生體也可以根據實物原型設計，在這種情況下，孿生體可以在產品改進時提供反饋；孿生體甚至可以在任何物理版本建成之前作為原型。
數字孿生與模擬
仿真和數字孿生這兩個術語經?；Q使用，但它們是不同的東西。 模擬是使用 CAD 系統或類似平臺設計的，并且可以通過其模擬步驟進行，但可能無法與真實的物理對象進行一對一的模擬。 相比之下，數字孿生是根據真實設備上的物聯網傳感器的輸入構建的，這意味著它復制了現實世界的系統，并隨著時間的推移而隨該系統發(fā)生變化。 模擬往往在產品生命周期的設計階段使用，試圖預測未來產品將如何工作，而數字孿生則為業(yè)務的各個部分提供了他們已經使用的某些產品或系統現在如何工作的洞察。
數字孿生用例
數字孿生的潛在用例非常廣泛。 飛機發(fā)動機、火車、海上石油平臺和渦輪機等物體可以在實際生產之前進行數字化設計和測試。 這些數字雙胞胎還可用于幫助維護操作。 例如，技術人員可以在應用修復之前使用數字孿生來測試針對某臺設備提出的修復是否有效。
制造業(yè)可能是數字孿生推廣最深入的領域，工廠已經使用數字孿生來模擬其流程。 汽車數字孿生之所以成為可能，是因為汽車已經配備了遙測傳感器，但隨著更多自動駕駛汽車上路，完善技術將變得更加重要。 醫(yī)療保健是可以產生人的數字孿生的行業(yè)； 微型傳感器可以將健康信息發(fā)送回數字雙胞胎，用于監(jiān)測和預測患者的健康狀況。
數字孿生能為組織帶來什么樣的價值？
正如數字孿生在不同行業(yè)有不同的用途一樣，數字孿生的價值也因應用而異。
例如，在制造領域，數字孿生可以使產品設計師在確定最終設計之前嘗試原型。 這是一種利用數字資源來開發(fā)和完善產品的方法，而不是利用物理工程資源。 通過在虛擬空間中模擬真實產品的數字復制品，設計人員可以快速生成新的迭代，優(yōu)化其產品設計，并一路提高產品質量。
在半導體行業(yè)，數字孿生可以存在于云端并取代物理研究模型。 2024年5月，拜登政府宣布計劃提供高達2.85億美元的資金，建立一個美國芯片制造研究所，專注于半導體行業(yè)的數字孿生:美國商務部在公告中表示，基于數字孿生的研究可以利用人工智能“幫助加快美國新芯片開發(fā)和制造概念的設計，并通過改善產能規(guī)劃、生產優(yōu)化、設施升級和實時流程調整來大幅降低成本”。
研究公司IDC的全球IT/OT融合戰(zhàn)略研究主管Jonathan Lang在接受《網絡世界》采訪時表示，數字孿生體在制造業(yè)、石油和天然氣、公用事業(yè)、采礦業(yè)等特定行業(yè)具有吸引力，“基本上是物理的、高資本的、資產密集型的垂直行業(yè)。”
Lang表示，在這些情況下，數字孿生的基本原理已經很清楚了，因為其潛在的好處包括更好地了解資產的健康狀況、提高可靠性、節(jié)省成本以及確保穩(wěn)定運營的能力。他說:“基礎設施、網絡設備、聯網設備等IT環(huán)境具有相同的價值驅動因素。”
數字孿生有哪些類型?
IBM提供的分類方案不是基于特定的行業(yè)，而是基于孿生事物的復雜性。這為思考特定用例中的需求提供了一種有用的方法，并讓我們了解數字孿生可以做什么：
組件或零件孿生模擬功能組件的最小示例。
資產孿生模擬兩個或多個組件一起工作，并讓您研究它們之間的交互。
系統或單元孿生可讓您了解多個系統資產如何協同工作，例如模擬整個生產線。
流程孿生采用系統協同工作的絕對頂層視圖，讓您了解整個工廠的運作方式。
值得注意的是，向組合中添加更多組件會增加復雜性。 特別是，混合和匹配來自不同制造商的組件可能很困難，因為您需要每個人的知識產權才能在數字孿生世界中良好地協同工作。
數字孿生的優(yōu)勢和好處
在IT世界中，模擬IT基礎架構的數字孿生體可以：
加強安全性:“網絡數字孿生提供了值得注意的安全優(yōu)勢，包括關鍵漏洞識別和針對正在使用的單個設備配置和功能的優(yōu)先補救計劃，”Forward Networks產品和用戶體驗高級副總裁Chiara Regale在接受網絡世界采訪時談到考慮網絡數字孿生的原因時說。
改善文檔記錄:“由于圍繞交付的優(yōu)先級、缺乏記錄基礎設施變化的標準以及無序擴張，每個企業(yè)都不擅長記錄文檔記錄，”金融服務公司Fiserv的網絡架構和自動化總監(jiān)邁克爾·溫斯頓告訴《網絡世界》。數字孿生技術可以提供對基礎架構的深入了解，而不僅僅是配置，包括環(huán)境在任何給定時間的運行情況。這對于成功的文檔編制至關重要。
提高效率：數字孿生支持跨多個業(yè)務系統的數據模擬。IDC研究表明，IT組織正在浪費大量時間來搜索執(zhí)行工作職能所需的信息。IDC分析師Jonathan Lang表示:“通過在單一界面中統一數據以及跨多個數據集進行分析，數字孿生提高了工作人員的效率以及分析輸出的質量和準確性。
創(chuàng)造更好的數字體驗：公司可以創(chuàng)建數字孿生體來幫助增強數字體驗，數字體驗是用戶與產品、服務、設備等基于數字的交互的總和。Juniper Networks首席人工智能官Bob Friday表示:“數字孿生體驗是一個新概念，它可以虛擬化最終用戶、應用程序或物聯網設備，以驗證網絡體驗并在問題影響用戶體驗之前預測問題。
數字孿生如何影響組織的環(huán)境可持續(xù)性？
Gartner Research 的數據顯示，隨著可持續(xù)發(fā)展日益成為成本優(yōu)化和風險管理的核心考慮因素，實施數據中心基礎設施可持續(xù)發(fā)展計劃的公司比例將從 2022 年的約 5% 一直上升到 2027 年的 75%。 行業(yè)觀察人士證明，數字孿生可以幫助公司實現可持續(xù)發(fā)展。 數字孿生與 IT 領域可持續(xù)發(fā)展之間的一些潛在聯系包括：
改進的系統管理，可以減少停機時間并提供更先進的電源管理功能。
更好的庫存和資產管理實踐，使 IT 能夠最大限度地利用企業(yè)服務器和存儲部署并識別閑置容量。
更容易識別舊的、耗能的設備，可以用具有更好能源性能的新一代硬件替換。
通用汽車全球制造 IT 總監(jiān) Mano Rao 博士在一篇關于通用汽車與 GE Digital 合作追求基于模型的系統工程的博客中寫道：“在通用汽車，我們開發(fā)了一個虛擬工廠測試臺，以提供所需的工具和環(huán)境。 測試支持按單生產所需的所有制造工藝變化，以及每項操作可能產生的所有結果排列。 我們采用流程數字孿生來模擬工廠車間行為并測試 OT 和 IT 系統的集成，無需部署物理生產線，也不需要物理產品沿生產線流動。 這不僅有助于通用汽車的競爭優(yōu)勢，而且使我們更接近我們的可持續(xù)發(fā)展承諾。”
數字孿生在各行業(yè)的應用
數字孿生可以部署在許多行業(yè)。 這里有些例子：
企業(yè)IT：數字孿生可以復制IT環(huán)境，包括基礎設施、網絡設備和物聯網設備。 例如，IT 團隊可以使用數字孿生來測試配置更改或調整安全策略。
半導體行業(yè)：數字孿生可以實現工程師和研究人員之間更多的協作設計，加快思想交流并降低研發(fā)成本。
制造運營：在制造業(yè)中，數字孿生可以簡化設計流程，改善設計師之間的協作，并有助于減少產品設計中使用的材料。
醫(yī)療保健服務：在醫(yī)療保健領域，數字孿生可以提高健康監(jiān)測和診斷能力。
汽車行業(yè)：汽車設計師和制造商使用數字孿生來縮短上市時間、改進安全程序、監(jiān)控產品性能并識別潛在的維護問題。
發(fā)電和公用事業(yè)：能源和公用事業(yè)公司可以創(chuàng)建發(fā)電廠或配電網絡的數字孿生或虛擬模型，并使用它來簡化運營并發(fā)現提高績效的機會。
城市規(guī)劃：對于城市規(guī)劃和基礎設施項目，數字孿生可以讓城市規(guī)劃者對新設計進行模擬——例如嘗試可能影響交通擁堵或空氣污染的場景。
數字孿生和物聯網
物聯網傳感器的爆炸式增長是數字孿生成為可能的一部分。 隨著物聯網設備的完善，數字孿生場景可以包括更小、更簡單的對象，從而為公司帶來額外的好處。
數字孿生可用于根據可變數據預測不同的結果。 通過額外的軟件和數據分析，數字孿生通?？梢詢?yōu)化物聯網部署以實現最大效率，并幫助設計人員在物理部署之前確定事物應該去哪里或如何運行。
數字孿生供應商
構建數字孿生非常復雜，而且目前還沒有標準化平臺可以實現這一點。 數字孿生聯盟是一個由用戶組成的全球生態(tài)系統，他們正在推動數字孿生使用的最佳實踐，并定義新的數字孿生標準的要求。
數字孿生聯盟是一個致力于提高數字孿生技術的認識、采用、互操作性和開發(fā)的組織。 這是一個由用戶(包括行業(yè)、學術界和政府成員)組成的全球生態(tài)系統，他們正在推動數字孿生使用的最佳實踐，并定義新的數字孿生標準的要求。
與許多由初創(chuàng)公司推動的新興技術相比，商業(yè)數字孿生產品來自該領域一些最大的公司。 例如，通用電氣在其噴氣發(fā)動機制造流程中內部開發(fā)了數字孿生技術，現在正在向客戶提供其專業(yè)知識，另一家深度參與制造的工業(yè)巨頭西門子也是如此。 為了不被這些工廠車間供應商超越，IBM 正在營銷數字孿生，作為其物聯網推動的一部分，而微軟則在 Azure 的保護下提供自己的數字孿生平臺。
企業(yè) IT 領域的數字孿生新聞
盡管數字孿生已經存在了一段時間，但它仍然是一種早期采用者技術。 但提供數字孿生解決方案的供應商數量正在不斷增長，企業(yè) IT 行業(yè)最近對數字孿生產品的升級包括：
Forward Networks 推出了 AI Assist，這是內置于其 Forward Enterprise 數字孿生平臺中的生成式人工智能功能。 該新增功能旨在讓網絡和安全運營專業(yè)人員通過自然語言提示全面了解網絡性能。 借助人工智能的幫助，不同技能水平的網絡工程師可以進行復雜的網絡查詢，從而快速評估網絡行為并識別潛在問題。
瞻博網絡推出了 Marvis Minis，這是一種人工智能原生網絡數字體驗雙胞胎，它使用該公司的 Mist AI 技術主動模擬用戶連接。 這樣，它就可以立即驗證網絡配置并檢測問題，而無需用戶在場。 Minis 產品模擬最終用戶、客戶端、設備和應用程序流量，通過無監(jiān)督的機器學習了解網絡配置，并主動突出顯示網絡問題。 Minis 的數據不斷反饋到 Mist AI，為最佳響應提供了額外的洞察來源。
諾基亞去年年底宣布，將其現有諾基亞網絡數字孿生的功能擴展到包括所有 Android 設備。 Wi-Fi、專用和公共蜂窩網絡的覆蓋范圍和性能數據可以自動實時收集并在諾基亞的邊緣平臺上進行處理，以便企業(yè)了解其運營變化如何影響網絡性能。
數字孿生的挑戰(zhàn)
數字孿生可以實時查看實物資產的運行情況，從而從根本上減輕維護負擔。 但請記住，Gartner 警告稱，并不總是需要數字孿生，而且可能會不必要地增加復雜性。 “對于特定的業(yè)務問題，[數字孿生]可能是技術過度殺傷力。 人們還擔心成本、安全性、隱私和集成。”
開發(fā)和部署數字孿生的潛在挑戰(zhàn)包括：
數據管理：電子電氣工程師協會(IEEE)資深成員、Hyperproof的首席信息安全官Kayne McGladrey在接受CSO采訪時表示，如果不解決數據所有權問題，特別是當一個組織與其他實體合作運營其數字雙胞胎時，數據所有權可能會成為一個問題。
安全性：CSO 在最近的一篇專題文章中指出，如果沒有實施適當的網絡安全控制，數字孿生可能會擴大公司的攻擊面，使威脅行為者能夠訪問以前無法訪問的控制系統，并暴露預先存在的漏洞。
供應商協作：數字孿生可能有多個工程師和設計師在模型上進行協作，因此創(chuàng)建并遵守有據可查的構建和修改模型的實踐非常重要。
復雜性：數字孿生可能只能對單個物理資產進行建模，但在具有多個利益相關者和復雜流程的更復雜的環(huán)境中，公司可能需要投資更先進的數字孿生，而這反過來又需要先進的技能。
隱私：McGladrey 告訴 CSO，法律和監(jiān)管問題也會影響數字孿生。 主要問題是數字孿生的運營商能否確保其數字孿生中使用的數據的處理方式滿足隱私、機密性甚至數據存儲地理位置方面的監(jiān)管要求。
數字孿生技能
有興趣成為數字孿生專家嗎？ 這些技能要求很高，需要機器學習、人工智能、預測分析和其他數據科學能力方面的專業(yè)知識。 這就是大公司掛牌的部分原因：小公司可能會發(fā)現聘請顧問團隊比提高內部員工的技能更合理。
