上周，有一個B站UP主火了，他把自己的自行車改造成了無人駕駛的“真·自行車”，給自行車裝上了三個電機、一個激光雷達、一個AI運算核心等零件。

這些工作的第一步，是他把車的尺寸、結(jié)構(gòu)精細地輸入電腦，做出了一個類似CAD的結(jié)構(gòu)圖， 基于這輛虛擬的自行車，他定制加工了組件；隨后，這輛數(shù)字車被輸入游戲引擎，引入重力等因素，就可以用來初步調(diào)整各項參數(shù)，讓只有兩個輪子的自行車能穩(wěn)穩(wěn)地站在地上。

他把這輛軟件中的自行車，稱作現(xiàn)實中被改裝的那輛車的“數(shù)字孿生”。

楊景詒、劉冬宇 ｜ 作者

放大燈團隊 ｜ 策劃

從《模擬人生》到“數(shù)字孿生”

《模擬人生》系列的歷史已有21年，至今仍長盛不衰，這離不開它對現(xiàn)實世界的刻畫——玩家在游戲不光可以自行決定人格特質(zhì)、生活習(xí)慣，還能決定社交活動和婚姻生育。

自不必說，人生模擬器是一個荒誕的概念，它離真實世界相差甚遠；但在另一些電子游戲中，對真實世界、物理規(guī)律與機械的還原，成了游戲最關(guān)鍵的賣點——例如《微軟模擬飛行》，它需要玩家買一套仿真的飛機控制器，體驗起降、飛行過程，甚至有人懷疑，“9·11事件”中的恐怖分子，可能就用電子游戲?qū)W習(xí)駕駛真正的飛機。也比如《坎巴拉太空計劃》，其中的物理模型，與現(xiàn)實的火箭發(fā)射相差無幾。

這些游戲，都在嘗試著在虛擬空間里創(chuàng)造某種真實性，這是一種“仿真”——而仿真的潛力，遠不止于滿足娛樂需求，在工業(yè)生產(chǎn)中更需要“模擬經(jīng)營”，用仿真工具來低成本地驗證某項設(shè)計是否有效，或者提前發(fā)現(xiàn)致命錯誤。

在音箱的設(shè)計中，箱體與單元的結(jié)構(gòu)，就可以通過仿真軟件計算出音箱輸出的聲音特性，而在土木工程里，仿真軟件更是計算結(jié)構(gòu)強度、分析材料選擇的必備工具。

就在今年高考填報志愿中，中山大學(xué)就將土木類專業(yè)劃入計算機大類［1］——仿真軟件成了各行各業(yè)的重要工具，或許就是這種專業(yè)劃分的原因之一。

這些“仿真”，與UP主的自行車的“數(shù)字孿生”，又有什么區(qū)別？畢竟它們看起來都是數(shù)字世界的物體。

數(shù)字孿生的概念可以追溯至2002年，美國工業(yè)制造工程協(xié)會舉辦的一次論壇，密歇根大學(xué)的邁克爾·格里弗斯博士提出了“信息鏡像模型”的概念，后被稱作“數(shù)字孿生”。

為了更容易理解，我們也可以把數(shù)字孿生叫做數(shù)字鏡像，或者數(shù)字化映射。它利用3D建模、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，在線上復(fù)制一個與現(xiàn)實幾乎一致的“數(shù)字體”。這個數(shù)字體能夠通過大量數(shù)據(jù)，記錄現(xiàn)實中的一舉一動，“投射”到系統(tǒng)中。

用人話總結(jié)一下，仿真是基于現(xiàn)實的規(guī)律，創(chuàng)造出虛擬的物體，而數(shù)字孿生，則是把真實世界的真實事物，可以是物體，也可以是某種過程，經(jīng)過精確測量后，在虛擬空間創(chuàng)造出的可以反映真實情況的數(shù)碼復(fù)制體。

共同之處是，他們都能成為人們的好幫手。

某種程度上說，你可能在各處都能見到實時監(jiān)控數(shù)據(jù)的大屏幕，那也是種簡單的數(shù)字孿生；而蘋果近年大力推進AR，其中一個應(yīng)用，就是讓普通消費者用手機上的激光雷達，掃描所在的房間與家具，將結(jié)構(gòu)和尺寸錄入手機軟件，就可以生成你的房間的數(shù)字孿生——當(dāng)然，精度不是很高。

其實，數(shù)字孿生不僅可以幫UP主改造自行車，更能成為工業(yè)生產(chǎn)、城市管理等領(lǐng)域的重要工具。

在獲得制造業(yè)的垂青前，數(shù)字孿生主要用于軍工。

2009年，美國國防部提出“機身數(shù)字孿生”的概念，將數(shù)字孿生用于航空航天飛行器的維護。另外，通過飛行器身上的傳感器，相關(guān)實驗室還能收集到飛行器的飛行數(shù)據(jù)，用于后續(xù)研究［2］。2012年，NASA發(fā)布了一項“建模、仿真、信息技術(shù)和處理”路線圖，數(shù)字孿生這才被更多人了解。

此后數(shù)年，數(shù)字孿生一直被美國空軍所看好。

但它進入民用生產(chǎn)領(lǐng)域的歷史并不長，直到2015年5月，通用電氣推出數(shù)字化風(fēng)電場，才把數(shù)字孿生技術(shù)推向商用。2017年，更多國際巨頭先后涉足數(shù)字孿生技術(shù)：

西門子發(fā)布了數(shù)字孿生體應(yīng)用模型；

美國參數(shù)技術(shù)公司推出基于數(shù)字孿生技術(shù)的IoT解決方案；

達索、通用電氣等企業(yè)也開始宣傳數(shù)字孿生技術(shù)。

而在國內(nèi)，阿里巴巴等互聯(lián)網(wǎng)公司也緊隨趨勢，紛紛布局數(shù)字孿生市場。根據(jù)阿里云此前的公開新聞，在城市大腦［3］、鋼鐵水泥、服裝制造［4］等領(lǐng)域，數(shù)字孿生的概念已經(jīng)投入實際應(yīng)用。

數(shù)字孿生技術(shù)迅速成為工業(yè)生產(chǎn)的寵兒，自然是因為它有助于生產(chǎn)。中國工程院院士譚建榮曾在2020年指出，數(shù)字孿生應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)資源調(diào)配、智能化生產(chǎn)，顯著提高生產(chǎn)效率。［5］

2016～2020年，數(shù)字孿生連續(xù)四年入選分析公司Gartner的“十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢”。Gartner 的一份2019年的報告預(yù)測，到2021年，全球?qū)⒂幸话氲拇笮凸�業(yè)企業(yè)，在生產(chǎn)中使用數(shù)字孿生技術(shù)，而這能使他們的生產(chǎn)效率提高10％。［6］

咨詢公司MarketsandMarkets的數(shù)據(jù)則顯示，全球數(shù)字孿生市場將在未來快速增長，規(guī)模從2019年的38億美元，增長至2025年的358億美元。此外，亞太地區(qū)市場規(guī)模增速也會遠超其他地區(qū)。［7］

為什么數(shù)字孿生能提高生產(chǎn)效率？它是如何工作的？要回答這些問題，首先得看看制造業(yè)的數(shù)字孿生是什么樣子——在工廠里，數(shù)字孿生復(fù)制的不再是一輛自行車、一架飛機，而是一條生產(chǎn)線。

跑在前面的竟是這家老國企

今年5月28日，在2021阿里云峰會上，阿里云與機械工業(yè)九院聯(lián)合發(fā)布“汽車數(shù)字工廠1．0”行業(yè)解決方案，數(shù)字孿生是這個方案中的重要部分。

一汽紅旗最新的新能源工廠“繁榮工廠”，將會是首個采用這套方案的主機廠。

這座工廠去年4月開始動工，投資78億，是紅旗品牌近年來突飛猛進的又一個信號。2017年，紅旗年銷量不到5000臺，而去年的銷量超過20萬臺，三年增長42倍，而今年大概率會超過40萬臺。隨著需求迅速擴大，這個年產(chǎn)能20萬臺的新工廠由此誕生。

要造最好的車，肯定要配最好的工藝和裝備。這是汽車工業(yè)顛撲不破的真理。

汽車工業(yè)，人類制造業(yè)的明珠之一。它是一種典型的離散制造：產(chǎn)品的生產(chǎn)過程通常被分解為很多零件，在不同的工廠甚至不同的企業(yè)里生產(chǎn)，生產(chǎn)過程更為復(fù)雜多變。而與之相對的則是流程制造，例如鋼鐵、水泥、服裝等工廠，用一條生產(chǎn)線就將原料制成成品。

阿里云汽車行業(yè)架構(gòu)師黃錚介紹，一輛汽車由3000多類、3萬～5萬種零部件組成，生產(chǎn)過程要經(jīng)歷沖壓、焊裝、涂裝、總裝、電池五大車間、200多種加工工藝，每個車間的生產(chǎn)設(shè)備完全不一樣，與先前阿里云工業(yè)大腦覆蓋的鋼鐵、水泥、服裝等流程制造行業(yè)相比，汽車制造更加考驗企業(yè)管理生產(chǎn)的能力。

與自行車和飛機的數(shù)字孿生類似，數(shù)字孿生工廠是對現(xiàn)實工廠3D形態(tài)的完全模擬。大到整廠五個車間，小到車間里每臺設(shè)備和每一個生產(chǎn)動作，都映射在數(shù)字孿生上。簡言之，它展現(xiàn)了人類對復(fù)雜系統(tǒng)的掌控力。