上周，有一個(gè)B站UP主火了，他把自己的自行車改造成了無(wú)人駕駛的“真·自行車”，給自行車裝上了三個(gè)電機(jī)、一個(gè)激光雷達(dá)、一個(gè)AI運(yùn)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(xì)地輸入電腦，做出了一個(gè)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(lái)初步調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，讓只有兩個(gè)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(shí)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(tuán)隊(duì) ｜ 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(zhǎng)盛不衰，這離不開(kāi)它對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的刻畫(huà)——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(dòng)和婚姻生育。

自不必說(shuō)，人生模擬器是一個(gè)荒誕的概念，它離真實(shí)世界相差甚遠(yuǎn)；但在另一些電子游戲中，對(duì)真實(shí)世界、物理規(guī)律與機(jī)械的還原，成了游戲最關(guān)鍵的賣點(diǎn)——例如《微軟模擬飛行》，它需要玩家買一套仿真的飛機(jī)控制器，體驗(yàn)起降、飛行過(guò)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(jī)。也比如《坎巴拉太空計(jì)劃》，其中的物理模型，與現(xiàn)實(shí)的火箭發(fā)射相差無(wú)幾。

這些游戲，都在嘗試著在虛擬空間里創(chuàng)造某種真實(shí)性，這是一種“仿真”——而仿真的潛力，遠(yuǎn)不止于滿足娛樂(lè)需求，在工業(yè)生產(chǎn)中更需要“模擬經(jīng)營(yíng)”，用仿真工具來(lái)低成本地驗(yàn)證某項(xiàng)設(shè)計(jì)是否有效，或者提前發(fā)現(xiàn)致命錯(cuò)誤。

在音箱的設(shè)計(jì)中，箱體與單元的結(jié)構(gòu)，就可以通過(guò)仿真軟件計(jì)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(jì)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、分析材料選擇的必備工具。

就在今年高考填報(bào)志愿中，中山大學(xué)就將土木類專業(yè)劃入計(jì)算機(jī)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(lái)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(guó)工業(yè)制造工程協(xié)會(huì)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(gè)與現(xiàn)實(shí)幾乎一致的“數(shù)字體”。這個(gè)數(shù)字體能夠通過(guò)大量數(shù)據(jù)，記錄現(xiàn)實(shí)中的一舉一動(dòng)，“投射”到系統(tǒng)中。

用人話總結(jié)一下，仿真是基于現(xiàn)實(shí)的規(guī)律，創(chuàng)造出虛擬的物體，而數(shù)字孿生，則是把真實(shí)世界的真實(shí)事物，可以是物體，也可以是某種過(guò)程，經(jīng)過(guò)精確測(cè)量后，在虛擬空間創(chuàng)造出的可以反映真實(shí)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(shuō)，你可能在各處都能見(jiàn)到實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的大屏幕，那也是種簡(jiǎn)單的數(shù)字孿生；而蘋果近年大力推進(jìn)AR，其中一個(gè)應(yīng)用，就是讓普通消費(fèi)者用手機(jī)上的激光雷達(dá)，掃描所在的房間與家具，將結(jié)構(gòu)和尺寸錄入手機(jī)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(shí)，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(guó)國(guó)防部提出“機(jī)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(hù)。另外，通過(guò)飛行器身上的傳感器，相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(xiàng)“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(guó)空軍所看好。

但它進(jìn)入民用生產(chǎn)領(lǐng)域的歷史并不長(zhǎng)，直到2015年5月，通用電氣推出數(shù)字化風(fēng)電場(chǎng)，才把數(shù)字孿生技術(shù)推向商用。2017年，更多國(guó)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(guó)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(dá)索、通用電氣等企業(yè)也開(kāi)始宣傳數(shù)字孿生技術(shù)。

而在國(guó)內(nèi)，阿里巴巴等互聯(lián)網(wǎng)公司也緊隨趨勢(shì)，紛紛布局?jǐn)?shù)字孿生市場(chǎng)。根據(jù)阿里云此前的公開(kāi)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(shí)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?yàn)樗�有助于生產(chǎn)。中國(guó)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(shì)”。Gartner 的一份2019年的報(bào)告預(yù)測(cè)，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(chǎng)將在未來(lái)快速增長(zhǎng)，規(guī)模從2019年的38億美元，增長(zhǎng)至2025年的358億美元。此外，亞太地區(qū)市場(chǎng)規(guī)模增速也會(huì)遠(yuǎn)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(wèn)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(jī)，而是一條生產(chǎn)線。

跑在前面的竟是這家老國(guó)企

今年5月28日，在2021阿里云峰會(huì)上，阿里云與機(jī)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(gè)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(huì)是首個(gè)采用這套方案的主機(jī)廠。

這座工廠去年4月開(kāi)始動(dòng)工，投資78億，是紅旗品牌近年來(lái)突飛猛進(jìn)的又一個(gè)信號(hào)。2017年，紅旗年銷量不到5000臺(tái)，而去年的銷量超過(guò)20萬(wàn)臺(tái)，三年增長(zhǎng)42倍，而今年大概率會(huì)超過(guò)40萬(wàn)臺(tái)。隨著需求迅速擴(kuò)大，這個(gè)年產(chǎn)能20萬(wàn)臺(tái)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(guò)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(guò)程更為復(fù)雜多變。而與之相對(duì)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(wàn)～5萬(wàn)種零部件組成，生產(chǎn)過(guò)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(gè)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(yàn)企業(yè)管理生產(chǎn)的能力。

與自行車和飛機(jī)的數(shù)字孿生類似，數(shù)字孿生工廠是對(duì)現(xiàn)實(shí)工廠3D形態(tài)的完全模擬。大到整廠五個(gè)車間，小到車間里每臺(tái)設(shè)備和每一個(gè)生產(chǎn)動(dòng)作，都映射在數(shù)字孿生上。簡(jiǎn)言之，它展現(xiàn)了人類對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的掌控力。