数字孪生是物理资产、流程或系统的数字复制品，用于模拟、监控和优化现实世界中的对应物。通过实时数据交换和高级分析，数字孪生提供了一个虚拟环境，用于测试场景、预测结果和增强决策能力。这一概念由迈克尔·格里夫斯于 2002 年首次提出，现已迅速发展，目前在制造业、医疗保健、智慧城市、供应链等各个领域发挥着至关重要的作用。
它们是“数字产品护照”等新兴工具的基础，旨在提高产品生命周期的透明度、可追溯性和循环性。
数字孪生是向工业 4.0 过渡的切入点和基石。在工业 5.0 的背景下，它们与以人为本的创新、可持续性和弹性等目标相一致。
数字孪生的动机：为何如此重要
1、增强决策和规划
数字孪生可以全面了解资产的整个生命周期，从设计到退役。此功能使组织能够利用实时数据和预测见解做出更明智的决策，降低风险并优化成本。
2、运营效率与优化
通过持续监控实物资产的性能，数字孪生有助于识别效率低下之处、预测维护需求并最大限度地减少停机时间。这可以提高运营效率并降低总拥有成本。
3、创新与实验
数字孪生提供了一个安全的虚拟环境来测试新的设计、配置或操作策略，而无需承担与现实世界实验相关的风险或成本。
4、可持续性和循环经济
数字孪生对于实现可持续发展目标至关重要，因为它可以优化资源利用率、减少浪费并支持生命周期管理。它们符合循环经济的原则。
5、启用数字产品护照
数字孪生提供DDP所需的实时数据，DDP是产品生命周期的数字记录。
数字孪生的演变：从概念到工业 5.0
数字孪生已经从简单的静态模型发展成为与工业 5.0 目标相一致的动态、互联的数字生态系统。
1、数字模型
数字模型是物理实体的静态数字化表示，例如 3D CAD 模型或蓝图，没有实时数据更新或与物理世界的交互。
2、数字阴影
数字影子反映物理实体的状态，数据单向流动——从物理资产到数字模型。它监控变化，但无法影响物理对应物。
3、数字孪生
数字孪生涉及物理实体与其数字副本之间的双向实时数据交换。这种交互性通过创建连续反馈回路来实现动态优化、预测性维护和增强决策能力。
4、数字孪生聚合
此概念指的是多个相互连接的数字孪生，它们共同代表一个复杂的系统，例如工厂、城市或全球供应链。数字孪生聚合提供整体视图，并促进不同实体之间的协调管理和优化。
5、工业 5.0 和以人为本的数字孪生
在工业 5.0 时代，数字孪生正朝着以人为本的方向发展，重点增强人机协作、弹性和可持续性。工业 5.0 强调利用数字孪生来改善人类福祉、创造力和决策能力，同时确保技术进步的可持续性和包容性。
数字孪生的分类
数字孪生可根据其范围和应用进行分类：
1、产品数字孪生
这些双胞胎代表单个产品或组件，例如汽车发动机或制造设备的一部分。
2、流程数字孪生
这些代表整个流程或工作流，例如生产线或供应链，因此用于优化、效率、预测和性能增强。
3、系统数字孪生
系统孪生包含多个相互连接的资产或子系统，例如电网或运输网络。
4、环境数字孪生
这些孪生代表着大规模环境，例如智慧城市、建筑或自然生态系统。它们还用于分析和优化城市规划、资源管理和环境影响。
数字产品护照和数字孪生集成
DPP是数字文档，用于保存产品生命周期的最新信息，包括原产地、材料、制造流程和报废管理。数字孪生通过镜像物理产品并捕获实时生命周期数据，确保 DDP 在整个产品生命周期内保持准确和最新。
DDP 的动机包括：
1、透明度与合规性
DPP 提供产品整个生命周期的详尽记录，支持法规遵从和道德规范。
2、消费者意识
DPP 提供有关产品可持续性凭证和来源的详细信息，使消费者能够做出明智的决定。
3、促进循环经济
通过提供有关产品成分、状况和回收选项的关键信息，DPP 支持再利用、翻新和回收。
数字孪生的元模型框架
为了处理数字孪生的复杂性和多样化应用，描述物理元素的所有功能（在物联网世界中，设备的功能），需要一个标准化的元模型框架。没有单一的标准，但存在更多框架，并集成在不同的数字孪生系统中。
1、物联网
WoT是由万维网联盟 (W3C) 开发的一种架构，可实现物联网设备与数字孪生之间的互操作性。WoT 提供了一种标准化的方式来描述设备、其功能及其交互，从而确保来自不同设备的数据可以无缝集成。
2、一个数据模型
OneDM是一项合作计划，旨在为物联网设备创建统一的数据模型。通过定义通用的语义词汇和数据结构，OneDM 促进了不同制造商的设备之间的互操作性。
3、数字孪生定义语言
DTDL是 Microsoft 开发的一种语言，用于定义数字孪生的结构、行为和关系。它提供了一种标准化的方式来描述数字孪生的属性、遥测、命令和组件，从而更轻松地创建、管理和与数字孪生交互。
物联网数字孪生的架构方法：领域驱动设计和微服务
采用支持可扩展性、灵活性和弹性的强大架构对于在物联网环境中有效实现数字孪生至关重要。领域驱动设计和微服务这两种可能的方法可能特别有效。
1、领域驱动设计：
1.1、数字孪生的优势
DDD确保数字孪生模型具有情境感知能力、与业务目标保持一致并能适应不断变化的需求。
1.2、物联网数字孪生中的应用
DDD 中的有界上下文定义有助于将数字孪生系统分解为可管理的模块，以反映现实世界的资产及其交互。
2、微服务：
2.1、数字孪生的优势
微服务允许数字孪生系统的不同组件独立发展和扩展，从而增强灵活性、可扩展性和容错能力。
2.2、物联网数字孪生中的应用
在数字孪生实现中，微服务独立管理数据采集、处理、分析、用户界面和控制功能，以快速流动和扩展为目标。
结论：数字孪生的未来
数字孪生将颠覆我们在工业 5.0 时代管理实物资产和流程的方式，同时也将影响消费者的日常生活。它们不仅能提高运营效率和创新能力，还能推动可持续发展和以人为本的成果。
将实物资产与数字孪生、数字产品护照和可导出模型（元模型框架）相结合的组织可以将自己定位为更全面市场的领导者。该战略通过采用有效的软件架构、在通信平台的愿景中考虑数据管道和人工智能集成而完善。从逻辑上讲，未来还有更多挑战，使数字孪生成为一项复杂的任务：网络安全、互操作性、过时管理、技术发展等。
希望在以透明度、协作和适应性为关键的未来蓬勃发展，继续塑造更加包容、高效和可持续的现实！