数字孪生读后感 浅析数字孪生 下

上一期的文章中，我们初步介绍了数字孪生(digital twin)的概念以及特点，今天我们来着重看一下数字孪生的应用以及行业现状。

作者：戴尔科技中国研发集团沙丹青 贾真

数字孪生的应用

数字孪生影响了第四次工业革命的发展。现阶段，除了航空航天领域，数字孪生还被应用于电力、船舶、城市管理、农业、建筑、制造、石油天然气、健康医疗、环境保护等行业，如图6所示。特别是在智能制造领域，数字孪生被认为是一种实现制造信息世界与物理世界交互融合的有效手段。许多知名企业（如空客、洛克希德马丁、西门子等）与组织（如Gartner、德勤、中国科协智能制造协会）对数字孪生给予了高度重视，并且开始探索基于数字孪生的智能生产新模式。

图6数字孪生的行业应用

数字孪生在IT行业的应用除了在生产制造，另一个主要的应用场景是建立数据中心的数字孪生，和AIOps相结合，提高数据中心运营管理的流程和效率。这种场景下的Digital Twin也是一种预测性软件和决策平台，它通过提供逼真的物理呈现和科学的数据分析，来管理数据中心运营，降低风险，提高效率。

数据中心的数字孪生模型通常包含建筑的BIM（Building Information Modeling）模型,数据中心内所有硬件设施、HVAC系统和环境感知传感器等的模型和数据，以及基于AIOps的智能运营算法和业务流程（如图7所示）。

例如，数字孪生可以显示3D的逼真的数据中心模型，支持读取和显示数据中心内各系统的实时数据，支持模拟计算室内热流场分布，了解潜在的电源和冷却故障的影响，可以通过模拟瞬态功率需求查看其冷却系统是否可以承担预测工作负载变化的影响，可以使用数字孪生优化数据中心的管理和规划，预测任何提议的更改对配电，空间利用率和冷却路径的影响，等等。

图7数据中心的数字孪生

当前数字孪生技术存在的挑战

数字孪生技术出现已经有好多年，但至今还没有成为主流，数字孪生在充分发挥其潜力方面仍面临许多障碍，主要是因为目前存在如下问题：

技术成熟度还不够： 实现Digital Twin的许多关键技术都已经成熟，如多物理尺度和多物理量建模、人工智能，IoT、高性能计算等，但实现Digital Twin需要集成和融合这些跨领域跨专业的多项技术，与单个技术发展有着显著的区别。

数据安全和隐私保护：由于涉及到大量的数据，并给敏感的系统数据带来了风险，Digital Twins相关的隐私和安全性是一大挑战。 为了克服这一挑战，数字孪生的关键支持技术 - 数据分析和物联网 - 必须遵循安全和隐私法规的当前做法和更新。 区块链技术能够降低网络安全和数据安全风险，更好的保护数字孪生的数据安全和用户隐私。

搭建数字孪生的过程中，也会有如下一些技术挑战：

如何搭建高性能，高保真度的虚拟模型

如何将物理和数字世界真实同步

如何确保数据的质量

如何有效的处理好数字孪生的海量数据，等等。

随着5G，人工智能，高性能计算等技术的蓬勃发展，当前数字孪生遇到的许多固有限制和挑战可以被减弱或逐渐消除。

行业现状

数字孪生是个普遍适应的理论技术体系，可以在众多领域应用，目前在产品设计、生产制造、医疗、智慧建筑/城市等领域应用较多。

数字孪生给工业制造带来了显而易见的效率提升和成本下降，使得几乎所有的工业巨头趋之若鹜。美国通用电气公司和德国西门子是数字孪生的主要推手。大约从2014年开始，达索、PTC、ESI、ANSYS等知名工业软件公司都在市场宣传中使用“Digital Twin” 术语，并陆续在技术构建、概念内涵上做了很多深入研究和拓展。

不同行业的不同公司都在积极开发数字孪生的软硬件和解决方案。目前市场上比较典型的商业数字孪生工具或平台有：ANSYS的TwinBuilder，达索的3D Experience，PTC的Thing Worx，Matlab的Simulink, IBM的Watson IoT Platform，GE的“Predix”，Siemens的Mind Sphere，微软的Azure，等等。

开源平台或工具相对较少，有：Eclipse的“Ditto”和Bentley Systems 的“imodel.js”。

专为数据中心建立数字孪生的工具有6SigmaDCX和Future Facilities的Digital Twin。

目前，中国在工业、城市等领域的数字化程度仍然较为薄弱，缺乏构建数字孪生所需要的数据基础和技术支撑。对于企业来说，循序推进企业数字化升级，打通业务和管理层面的数据流，将是当前发展阶段的主旋律

数字孪生的发展成熟，同样需要历经时间的考验。数字孪生概念承载的多种创新应用，都需要大量实时数据和场景的支持和验证，才能不断提高应用的准确性和可靠性。这离不开产业、创新、科研机构多方面的协同和努力

戴尔科技集团积极拥抱数字孪生的生态发展

戴尔科技集团一直致力于推动数字孪生的发展，作为数字孪生的IT基础设施提供商，戴尔和Ansys，GE，微软和Lendlease共同创立了推动数字孪生技术创新的合作组织--数字孪生联盟（Digital Twin Consortium），组织成员还包括工业物联网和工业4.0领域的一些领先技术参与者。

数字孪生联盟旨在解决与更广泛接受和使用数字孪生技术相关的三个问题：

通过数字孪生专家生态系统制定路线图和行业指南，加速数字孪生技术的市场发展；

通过开发安全性、隐私性和可信度方面的最佳实践，并影响对数字孪生标准的要求，提高数字孪生技术的互操作性；

降低资本项目的风险，并通过同行用例和开发开放源代码来展示数字孪生技术的价值。

戴尔科技集团的各类IT基础架构也为数字孪生的实施提供了强有力的支持[6]。在戴尔科技“Edge to core to cloud”的宏观策略下，戴尔将为数字孪生解决方案提供完善支持，包括领先的技术、完备的端到端解决方案、完善的服务、以及成熟的渠道等，支持并助力数字孪生的发展。

同时，数字孪生也可以协助戴尔科技集团加强产品与解决方案的设计，开发和测试流程，从而提高产品与解决方案的可靠性和可用性，降低风险，改进生产，降低维护成本。

总结

综上所述，数字孪生（Digital Twin）是产品的虚拟再现，是一项非常有潜力的前沿技术，是降低产品级系统集成风险的完美伴侣。

数字孪生目前的发展是机遇与挑战并存。实施数字孪生，既需要深厚的技术沉淀，也需要巨大的资金投入，还需要组织的文化，管理水平和员工技能达到相应的层次。

伴随着业界对工业互联网、智慧城市等方向创新的持续关注，和新技术的成熟，数字孪生有望在未来几年内迎来窗口性机遇，在垂直行业和场景中创造更多价值。

戴尔科技集团作为推进数字化转型中不可或缺的高科技公司的独特定位，具有以下的技术优势：

拥有大量的硬件和服务解决方案组合。

在所有行业都拥有深厚的行业和技术知识。

可以支持产品生命周期中从开始到回收或处置的所有阶段。

戴尔科技集团将更加有效的把IT领域的所有关键技术用于支持数字孪生技术推向市场，为不同的行业与业务提供成功的数字孪生。

参考文档

What are digital twins? IBM. By Andy Stanford-Clark, et.al. Published November 14, 2019

数字孪生白皮书2020，工信部中国电子技术标准化研究院

Digital Twin: Enabling Technologies, Challenges and Open Research. AIDAN FULLER, et.al. DOI 10.1109/ACCESS.2020.2998358, IEEE Access