文/陈根

随着大数据时代的降临,数字孪生作为数字时代最重要的技术之一愈发炙手可热,越来越成为从工业到产业、从学术专业到民生应用各个领域的智慧新代表。

数字孪生始于数字化,又不止于数字化。数字孪生作为物理世界的镜像,既接受物理世界的实时信息,更反过来实时驱动物理世界,同时进化为物理世界的先知、先觉甚至超体。

数字孪生体的生长经历着数化、互动、先知、先觉和共智的演变过程,承载着人类的野心。今年年初,达索系统就提出了数字化革命从原来物质世界中没有生命的“thing”扩展到有生命的“life”。

显然,数字孪生体的应用绝不止于工业,从原子、器件扩展到健康、人体的应用,当数字孪生在健康时,还叙述着关于数字化的更多潜力。

数字孪生支撑万物互联

当前,以物联网、大数据、人工智能等新技术为代表的数字化席卷全球,物理世界和与之对应的数字世界正形成两大体系平行发展、相互作用。数字世界服务了物理世界,物理世界则因为数字世界的存在更高效有序。在这种背景下,数字孪生应运而生。

“孪生”的概念可追溯至美国国家航空航天局的“阿波罗计划”,通过构建两个相同的航天飞行器,其中一个发射到太空执行任务,另一个留在地球上用于反映太空中航天器在任务期间的工作状态,从而辅助工程师分析处理太空中出现的紧急事件。但对于当时来说,这两个航天器都是真实存在的物理实体。

“数字孪生”相对“孪生”而存在,是现有或将有的物理实体对象的数字模型,通过实测、仿真和数据分析来实时感知、诊断、预测物理实体对象的状态,通过优化和指令来调控物理实体对象的行为,通过相关数字模型间的相互学习来进化自身,控制物理实体全生命周期过程的技术手段 。

简单来说,数字孪生就是在一个设备或系统的基础上,创造一个数字版的“克隆体”。这个“数字克隆体”被创建在信息化平台上,是虚拟的。与电脑的设计图纸又不同,相比于设计图纸,数字孪生体最大的特点在于,它是对实体对象的动态仿真。也就是说,数字孪生体是会“动”的。而关于数字孪生的相关知识,我在《数字孪生》一书中进行了深入阐述,这里不再展开。

此外,相较于其他数字技术,数字孪生还具有互操作性、可扩展性、实时性、保真性和闭环性。

互操作性上,数字孪生中的物理对象和数字空间能够双向映射、动态交互和实时连接,因此数字孪生具备以多样的数字模型映射物理实体的能力,具有能够在不同数字模型之间转换、合并和建立“表达”的等同性。

可扩展性上,数字孪生技术具备集成、添加和替换数字模型的能力,能够针对多尺度、多物理、多层级的模型内容进行扩展。

实时性上,数字孪生以一种计算机可识别和处理的方式管理数据以对随时间轴变化的物理实体进行表征。表征的对象包括外观、状态、属性、内在机理,形成物理实体实时状态的数字虚体映射。

数字孪生的保真性指描述数字虚体模型和物理实体的接近性。要求虚体和实体不仅要保持几何结构的高度仿真,在状态、相态和时态上也要仿真。

最后,由于数字孪生中的数字虚体,用于描述物理实体的可视化模型和内在机理,以便于对物理实体的状态数据进行监视、分析推理、优化工艺参数和运行参数,实现决策功能,即赋予数字虚体和物理实体一个大脑。因此,数字孪生还具有闭环性。

正是数字孪生为跨层级、跨尺度的现实世界和虚拟世界建立了沟通的桥梁,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。因此,数字孪生也被认为是第四次工业革命的通用目的技术和核心技术体系之一,是支撑万物互联的综合技术体系,是数字经济发展的基础,也是未来智能时代的信息基础设施。

数字孪生在健康

数字孪生,经历了从CAD/CAE建模仿真、传统系统工程等技术准备期,到数字孪生体模型的出现和英文术语名称的确定的概念产生期。如今,在物联网、大数据、机器学习、区块链、云计算等外围使能技术勃兴下,数字孪生也终于进入应用期。

过去十年,是数字孪生体的领先应用期,主要指NASA、美军方和GE等航空航天、国防军工机构的领先应用。而从2018年开始,ISO、IEC、EEE三大标准化组织陆续开始着手数字孪生体相关标准化工作,ISo第一个数字孪生体国际标准将于明年发布。

随着数字化技术的发展应用,人们在用数字孪生技术重建一个物件、一个系统、一个城市,甚至一个世界的同时,数字孪生也充分地暴露着人类的野心。

但回顾过去,数字孪生更多的是应用在制造业领域,从过去飞机、汽车、船舶等高端复杂的制造业,制造这些产品的工业装备行业,发展到高科技电子行业的电子产品,日常生活消费行业的时装鞋帽、化妆品、家居家具、食品饮料消费产品。包括在基础设施行业中,数字孪生的应用也日益增加,包括铁路、公路、核电站、水电站、火电站、城市建筑乃至整个城市,以及矿山开采。

尽管数字孪生系统起源于智能制造领域,但随着人工智能与传感器技术的发展,在更复杂的更多样的社区管理领域,同样可以发挥巨大作用。今年年初,达索系统就提出了数字化革命从原来物质世界中没有生命的“thing”扩展到有生命的“life”,比如,人体健康的管理,疾病预测等。

事实上,健康服务不仅包括医疗服务,还包括健康管理与促进、健康保险以及相关服务。发达国家健康服务业规模可达其国内生产总值的10%~17%,而我国健康服务产业目前仍以医疗卫生服务为主,前端产业(疾病预防和健康维持类)和后端产业(健康促进和提升类)规模小、内容少、发展滞后,且总量较小。

当前,产业大多聚焦于老年健康服务,对慢性病和亚健康人群的健康服务较为缺乏;而健康服务需求正由线下模式转到以线上为主、线下为辅的新模式,由单次体检转变为长期、连续的监测和干预。

疫情期间,宅在家中的生活模式更使人们意识到家庭场景中健康服务的缺失,比如缺乏连续测量监测以及上传个人健康体征数据的工具,缺乏有效的通道使居民高效获得签约家庭医生的健康指导和治疗方案,缺乏便捷的方式让居民获取高端增值的个性化健康管理服务(如膳食营养、健身服务等)。

数字孪生为家庭健康服务创造了条件——数字孪生在整个生命周期中,在虚体空间中所构建数字模型,于此形成了与物理实体空间中的现实事物所对应的在形、态、行为和质地上都相像的虚实精确映射。

显然,通过视觉传感器、人工智能芯片、深度学习算法及数字孪生建模技术实现家庭成员(尤其是老年人)日常行为活动姿态、健康风险情况的监测与预警,起到全面关爱家庭成员健康,降低服务成本,提高家庭健康服务质量,降低家庭成员健康风险隐患,实现家庭健康的智能化精细化管理的作用。尤其对于养老产业的推动与变革,可以说数字孪生将具有革命性的意义。

当然,与此同时,国家标准对个人健康状态远程监测、设备互连提出了基本要求。但是针对数字健康建筑和家庭服务技术方案在标准层面尚缺乏适用的标准依据,亟需制定数字健康建筑和家庭服务分级、分类的建设、管理、评价等标准,为提供高质量数字健康家庭服务奠定基础。

数字健康家庭服务相关标准缺失,产品质量规范化和一致性难以保证,需要统一数字健康家庭服务基础标准、建设指南和管理规范。

此外,在数字孪生建立数字人体方面,人体比机械要复杂太多,人体有37万亿个细胞,每一个细胞生命周期里又有4200万的蛋白质。人体数字化,即基于人体相关的多学科、多专业知识的系统化研究,并将这些知识全部注入人体的数字孪生体中。这有利于降低各种手术风险,提高成功率,改进药物研发,提高药物的效用。

数字孪生体是与实体世界对应的数字化表达方式。数字孪生始于数字化,又不止于数字化,接受物理信息,更驱动物理世界。从原子、器件扩展到健康、人体的应用,还将展示关于数字化的更多潜力。但我们可以预见的事数字孪生将会成为万物互联时代更为顶层,更为核心的系统设计技术,包括人类在内的地球管理将基于数字孪生驱动而进入真正意义上的数字化管理模式。