文/陳根
隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的降臨，數(shù)字孿生作為數(shù)字時(shí)代最重要的技術(shù)之一愈發(fā)炙手可熱，越來(lái)越成為從工業(yè)到產(chǎn)業(yè)、從學(xué)術(shù)專(zhuān)業(yè)到民生應(yīng)用各個(gè)領(lǐng)域的智慧新代表。
數(shù)字孿生始于數(shù)字化，又不止于數(shù)字化。數(shù)字孿生作為物理世界的鏡像，既接受物理世界的實(shí)時(shí)信息，更反過(guò)來(lái)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)物理世界，同時(shí)進(jìn)化為物理世界的先知、先覺(jué)甚至超體。
數(shù)字孿生體的生長(zhǎng)經(jīng)歷著數(shù)化、互動(dòng)、先知、先覺(jué)和共智的演變過(guò)程，承載著人類(lèi)的野心。今年年初，達(dá)索系統(tǒng)就提出了數(shù)字化革命從原來(lái)物質(zhì)世界中沒(méi)有生命的“thing”擴(kuò)展到有生命的“life”。
顯然，數(shù)字孿生體的應(yīng)用絕不止于工業(yè)，從原子、器件擴(kuò)展到健康、人體的應(yīng)用，當(dāng)數(shù)字孿生在健康時(shí)，還敘述著關(guān)于數(shù)字化的更多潛力。
數(shù)字孿生支撐萬(wàn)物互聯(lián)
當(dāng)前，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)為代表的數(shù)字化席卷全球，物理世界和與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字世界正形成兩大體系平行發(fā)展、相互作用。數(shù)字世界服務(wù)了物理世界，物理世界則因?yàn)閿?shù)字世界的存在更高效有序。在這種背景下，數(shù)字孿生應(yīng)運(yùn)而生。
“孿生”的概念可追溯至美國(guó)國(guó)家航空航天局的“阿波羅計(jì)劃”，通過(guò)構(gòu)建兩個(gè)相同的航天飛行器，其中一個(gè)發(fā)射到太空?qǐng)?zhí)行任務(wù)，另一個(gè)留在地球上用于反映太空中航天器在任務(wù)期間的工作狀態(tài)，從而輔助工程師分析處理太空中出現(xiàn)的緊急事件。但對(duì)于當(dāng)時(shí)來(lái)說(shuō)，這兩個(gè)航天器都是真實(shí)存在的物理實(shí)體。
“數(shù)字孿生”相對(duì)“孿生”而存在，是現(xiàn)有或?qū)⒂械奈锢韺?shí)體對(duì)象的數(shù)字模型，通過(guò)實(shí)測(cè)、仿真和數(shù)據(jù)分析來(lái)實(shí)時(shí)感知、診斷、預(yù)測(cè)物理實(shí)體對(duì)象的狀態(tài)，通過(guò)優(yōu)化和指令來(lái)調(diào)控物理實(shí)體對(duì)象的行為，通過(guò)相關(guān)數(shù)字模型間的相互學(xué)習(xí)來(lái)進(jìn)化自身，控制物理實(shí)體全生命周期過(guò)程的技術(shù)手段 。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，數(shù)字孿生就是在一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造一個(gè)數(shù)字版的“克隆體”。這個(gè)“數(shù)字克隆體”被創(chuàng)建在信息化平臺(tái)上，是虛擬的。與電腦的設(shè)計(jì)圖紙又不同，相比于設(shè)計(jì)圖紙，數(shù)字孿生體最大的特點(diǎn)在于，它是對(duì)實(shí)體對(duì)象的動(dòng)態(tài)仿真。也就是說(shuō)，數(shù)字孿生體是會(huì)“動(dòng)”的。而關(guān)于數(shù)字孿生的相關(guān)知識(shí)，我在《數(shù)字孿生》一書(shū)中進(jìn)行了深入闡述，這里不再展開(kāi)。
此外，相較于其他數(shù)字技術(shù)，數(shù)字孿生還具有互操作性、可擴(kuò)展性、實(shí)時(shí)性、保真性和閉環(huán)性。
互操作性上，數(shù)字孿生中的物理對(duì)象和數(shù)字空間能夠雙向映射、動(dòng)態(tài)交互和實(shí)時(shí)連接，因此數(shù)字孿生具備以多樣的數(shù)字模型映射物理實(shí)體的能力，具有能夠在不同數(shù)字模型之間轉(zhuǎn)換、合并和建立“表達(dá)”的等同性。
可擴(kuò)展性上，數(shù)字孿生技術(shù)具備集成、添加和替換數(shù)字模型的能力，能夠針對(duì)多尺度、多物理、多層級(jí)的模型內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展。
實(shí)時(shí)性上，數(shù)字孿生以一種計(jì)算機(jī)可識(shí)別和處理的方式管理數(shù)據(jù)以對(duì)隨時(shí)間軸變化的物理實(shí)體進(jìn)行表征。表征的對(duì)象包括外觀、狀態(tài)、屬性、內(nèi)在機(jī)理，形成物理實(shí)體實(shí)時(shí)狀態(tài)的數(shù)字虛體映射。
數(shù)字孿生的保真性指描述數(shù)字虛體模型和物理實(shí)體的接近性。要求虛體和實(shí)體不僅要保持幾何結(jié)構(gòu)的高度仿真，在狀態(tài)、相態(tài)和時(shí)態(tài)上也要仿真。
最后，由于數(shù)字孿生中的數(shù)字虛體，用于描述物理實(shí)體的可視化模型和內(nèi)在機(jī)理，以便于對(duì)物理實(shí)體的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視、分析推理、優(yōu)化工藝參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)決策功能，即賦予數(shù)字虛體和物理實(shí)體一個(gè)大腦。因此，數(shù)字孿生還具有閉環(huán)性。
正是數(shù)字孿生為跨層級(jí)、跨尺度的現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界建立了溝通的橋梁，是一種實(shí)現(xiàn)制造信息世界與物理世界交互融合的有效手段。因此，數(shù)字孿生也被認(rèn)為是第四次工業(yè)革命的通用目的技術(shù)和核心技術(shù)體系之一，是支撐萬(wàn)物互聯(lián)的綜合技術(shù)體系，是數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，也是未來(lái)智能時(shí)代的信息基礎(chǔ)設(shè)施。
數(shù)字孿生在健康
數(shù)字孿生，經(jīng)歷了從CAD/CAE 建模仿真、傳統(tǒng)系統(tǒng)工程等技術(shù)準(zhǔn)備期，到數(shù)字孿生體模型的出現(xiàn)和英文術(shù)語(yǔ)名稱(chēng)的確定的概念產(chǎn)生期。如今，在物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、區(qū)塊鏈、云計(jì)算等外圍使能技術(shù)勃興下，數(shù)字孿生也終于進(jìn)入應(yīng)用期。
過(guò)去十年，是數(shù)字孿生體的領(lǐng)先應(yīng)用期，主要指 NASA、美軍方和 GE 等航空航天、國(guó)防軍工機(jī)構(gòu)的領(lǐng)先應(yīng)用。而從 2018 年開(kāi)始，ISO、IEC、EEE 三大標(biāo)準(zhǔn)化組織陸續(xù)開(kāi)始著手?jǐn)?shù)字孿生體相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作，ISo第一個(gè)數(shù)字孿生體國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)將于明年發(fā)布。
隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，人們在用數(shù)字孿生技術(shù)重建一個(gè)物件、一個(gè)系統(tǒng)、一個(gè)城市，甚至一個(gè)世界的同時(shí)，數(shù)字孿生也充分地暴露著人類(lèi)的野心。
但回顧過(guò)去，數(shù)字孿生更多的是應(yīng)用在制造業(yè)領(lǐng)域，從過(guò)去飛機(jī)、汽車(chē)、船舶等高端復(fù)雜的制造業(yè)，制造這些產(chǎn)品的工業(yè)裝備行業(yè)，發(fā)展到高科技電子行業(yè)的電子產(chǎn)品，日常生活消費(fèi)行業(yè)的時(shí)裝鞋帽、化妝品、家居家具、食品飲料消費(fèi)產(chǎn)品。包括在基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)中，數(shù)字孿生的應(yīng)用也日益增加，包括鐵路、公路、核電站、水電站、火電站、城市建筑乃至整個(gè)城市，以及礦山開(kāi)采。
盡管數(shù)字孿生系統(tǒng)起源于智能制造領(lǐng)域，但隨著人工智能與傳感器技術(shù)的發(fā)展，在更復(fù)雜的更多樣的社區(qū)管理領(lǐng)域，同樣可以發(fā)揮巨大作用。今年年初，達(dá)索系統(tǒng)就提出了數(shù)字化革命從原來(lái)物質(zhì)世界中沒(méi)有生命的“thing”擴(kuò)展到有生命的“life”，比如，人體健康的管理，疾病預(yù)測(cè)等。
事實(shí)上，健康服務(wù)不僅包括醫(yī)療服務(wù)，還包括健康管理與促進(jìn)、健康保險(xiǎn)以及相關(guān)服務(wù)。發(fā)達(dá)國(guó)家健康服務(wù)業(yè)規(guī)?？蛇_(dá)其國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的 10%~17%，而我國(guó)健康服務(wù)產(chǎn)業(yè)目前仍以醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)為主，前端產(chǎn)業(yè)（疾病預(yù)防和健康維持類(lèi)）和后端產(chǎn)業(yè)（健康促進(jìn)和提升類(lèi)）規(guī)模小、內(nèi)容少、發(fā)展滯后，且總量較小。
當(dāng)前，產(chǎn)業(yè)大多聚焦于老年健康服務(wù)，對(duì)慢性病和亞健康人群的健康服務(wù)較為缺乏；而健康服務(wù)需求正由線(xiàn)下模式轉(zhuǎn)到以線(xiàn)上為主、線(xiàn)下為輔的新模式，由單次體檢轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)期、連續(xù)的監(jiān)測(cè)和干預(yù)。
疫情期間，宅在家中的生活模式更使人們意識(shí)到家庭場(chǎng)景中健康服務(wù)的缺失，比如缺乏連續(xù)測(cè)量監(jiān)測(cè)以及上傳個(gè)人健康體征數(shù)據(jù)的工具，缺乏有效的通道使居民高效獲得簽約家庭醫(yī)生的健康指導(dǎo)和治療方案，缺乏便捷的方式讓居民獲取高端增值的個(gè)性化健康管理服務(wù)（如膳食營(yíng)養(yǎng)、健身服務(wù)等）。
數(shù)字孿生為家庭健康服務(wù)創(chuàng)造了條件——數(shù)字孿生在整個(gè)生命周期中，在虛體空間中所構(gòu)建數(shù)字模型，于此形成了與物理實(shí)體空間中的現(xiàn)實(shí)事物所對(duì)應(yīng)的在形、態(tài)、行為和質(zhì)地上都相像的虛實(shí)精確映射。
顯然，通過(guò)視覺(jué)傳感器、人工智能芯片、深度學(xué)習(xí)算法及數(shù)字孿生建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭成員（尤其是老年人）日常行為活動(dòng)姿態(tài)、健康風(fēng)險(xiǎn)情況的監(jiān)測(cè)與預(yù)警，起到全面關(guān)愛(ài)家庭成員健康，降低服務(wù)成本，提高家庭健康服務(wù)質(zhì)量，降低家庭成員健康風(fēng)險(xiǎn)隱患，實(shí)現(xiàn)家庭健康的智能化精細(xì)化管理的作用。尤其對(duì)于養(yǎng)老產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)與變革，可以說(shuō)數(shù)字孿生將具有革命性的意義。
當(dāng)然，與此同時(shí)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)個(gè)人健康狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、設(shè)備互連提出了基本要求。但是針對(duì)數(shù)字健康建筑和家庭服務(wù)技術(shù)方案在標(biāo)準(zhǔn)層面尚缺乏適用的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，亟需制定數(shù)字健康建筑和家庭服務(wù)分級(jí)、分類(lèi)的建設(shè)、管理、評(píng)價(jià)等標(biāo)準(zhǔn)，為提供高質(zhì)量數(shù)字健康家庭服務(wù)奠定基礎(chǔ)。
數(shù)字健康家庭服務(wù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺失，產(chǎn)品質(zhì)量規(guī)范化和一致性難以保證，需要統(tǒng)一數(shù)字健康家庭服務(wù)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、建設(shè)指南和管理規(guī)范。
此外，在數(shù)字孿生建立數(shù)字人體方面，人體比機(jī)械要復(fù)雜太多，人體有37萬(wàn)億個(gè)細(xì)胞，每一個(gè)細(xì)胞生命周期里又有4200萬(wàn)的蛋白質(zhì)。人體數(shù)字化，即基于人體相關(guān)的多學(xué)科、多專(zhuān)業(yè)知識(shí)的系統(tǒng)化研究，并將這些知識(shí)全部注入人體的數(shù)字孿生體中。這有利于降低各種手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高成功率，改進(jìn)藥物研發(fā)，提高藥物的效用。
數(shù)字孿生體是與實(shí)體世界對(duì)應(yīng)的數(shù)字化表達(dá)方式。數(shù)字孿生始于數(shù)字化，又不止于數(shù)字化，接受物理信息，更驅(qū)動(dòng)物理世界。從原子、器件擴(kuò)展到健康、人體的應(yīng)用，還將展示關(guān)于數(shù)字化的更多潛力。但我們可以預(yù)見(jiàn)的事數(shù)字孿生將會(huì)成為萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代更為頂層，更為核心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，包括人類(lèi)在內(nèi)的地球管理將基于數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)而進(jìn)入真正意義上的數(shù)字化管理模式。
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