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      數字孿生,接受物理信息驅動物理世界


      隨著大數據時代的降臨,數字孿生作為數字時代最重要的技術之一愈發炙手可熱,越來越成為從工業到產業、從學術專業到民生應用各個領域的智慧新代表。


      數字孿生始于數字化,又不止于數字化。數字孿生作為物理世界的鏡像,既接受物理世界的實時信息,更反過來實時驅動物理世界,同時進化為物理世界的先知、先覺甚至超體。


      數字孿生體的生長經歷著數化、互動、先知、先覺和共智的演變過程,承載著人類的野心。2020年年初,達索系統就提出了數字化革命從原來物質世界中沒有生命的“thing”擴展到有生命的“life”。


      顯然,數字孿生體的應用絕不止于工業,從原子、器件擴展到健康、人體的應用,當數字孿生在健康時,還敘述著關于數字化的更多潛力。


      數字孿生支撐萬物互聯


      當前,以物聯網、大數據、人工智能等新技術為代表的數字化席卷全球,物理世界和與之對應的數字世界正形成兩大體系平行發展、相互作用。數字世界服務了物理世界,物理世界則因為數字世界的存在更高效有序。在這種背景下,數字孿生應運而生。


      “孿生”的概念可追溯至美國國家航空航天局的“阿波羅計劃”,通過構建兩個相同的航天飛行器,其中一個發射到太空執行任務,另一個留在地球上用于反映太空中航天器在任務期間的工作狀態,從而輔助工程師分析處理太空中出現的緊急事件。但對于當時來說,這兩個航天器都是真實存在的物理實體。


      “數字孿生”相對“孿生”而存在,是現有或將有的物理實體對象的數字模型,通過實測、仿真和數據分析來實時感知、診斷、預測物理實體對象的狀態,通過優化和指令來調控物理實體對象的行為,通過相關數字模型間的相互學習來進化自身,控制物理實體全生命周期過程的技術手段 。


      簡單來說,數字孿生就是在一個設備或系統的基礎上,創造一個數字版的“克隆體”。這個“數字克隆體”被創建在信息化平臺上,是虛擬的。與電腦的設計圖紙又不同,相比于設計圖紙,數字孿生體最大的特點在于,它是對實體對象的動態仿真。也就是說,數字孿生體是會“動”的。而關于數字孿生的相關知識,我在《數字孿生》一書中進行了深入闡述,這里不再展開。


      此外,相較于其他數字技術,數字孿生還具有互操作性、可擴展性、實時性、保真性和閉環性。


      互操作性上,數字孿生中的物理對象和數字空間能夠雙向映射、動態交互和實時連接,因此數字孿生具備以多樣的數字模型映射物理實體的能力,具有能夠在不同數字模型之間轉換、合并和建立“表達”的等同性。


      可擴展性上,數字孿生技術具備集成、添加和替換數字模型的能力,能夠針對多尺度、多物理、多層級的模型內容進行擴展。


      實時性上,數字孿生以一種計算機可識別和處理的方式管理數據以對隨時間軸變化的物理實體進行表征。表征的對象包括外觀、狀態、屬性、內在機理,形成物理實體實時狀態的數字虛體映射。


      數字孿生的保真性指描述數字虛體模型和物理實體的接近性。要求虛體和實體不僅要保持幾何結構的高度仿真,在狀態、相態和時態上也要仿真。


      最后,由于數字孿生中的數字虛體,用于描述物理實體的可視化模型和內在機理,以便于對物理實體的狀態數據進行監視、分析推理、優化工藝參數和運行參數,實現決策功能,即賦予數字虛體和物理實體一個大腦。因此,數字孿生還具有閉環性。


      正是數字孿生為跨層級、跨尺度的現實世界和虛擬世界建立了溝通的橋梁,是一種實現制造信息世界與物理世界交互融合的有效手段。因此,數字孿生也被認為是第四次工業革命的通用目的技術和核心技術體系之一,是支撐萬物互聯的綜合技術體系,是數字經濟發展的基礎,也是未來智能時代的信息基礎設施。



      數字孿生在健康


      數字孿生,經歷了從CAD/CAE 建模仿真、傳統系統工程等技術準備期,到數字孿生體模型的出現和英文術語名稱的確定的概念產生期。如今,在物聯網、大數據、機器學習、區塊鏈、云計算等外圍使能技術勃興下,數字孿生也終于進入應用期。


      過去十年,是數字孿生體的領先應用期,主要指 NASA、美軍方和 GE 等航空航天、國防軍工機構的領先應用。而從 2018 年開始,ISO、IEC、EEE 三大標準化組織陸續開始著手數字孿生體相關標準化工作,ISo第一個數字孿生體國際標準將于明年發布。


      隨著數字化技術的發展應用,人們在用數字孿生技術重建一個物件、一個系統、一個城市,甚至一個世界的同時,數字孿生也充分地暴露著人類的野心。


      但回顧過去,數字孿生更多的是應用在制造業領域,從過去飛機、汽車、船舶等高端復雜的制造業,制造這些產品的工業裝備行業,發展到高科技電子行業的電子產品,日常生活消費行業的時裝鞋帽、化妝品、家居家具、食品飲料消費產品。包括在基礎設施行業中,數字孿生的應用也日益增加,包括鐵路、公路、核電站、水電站、火電站、城市建筑乃至整個城市,以及礦山開采。


      盡管數字孿生系統起源于智能制造領域,但隨著人工智能與傳感器技術的發展,在更復雜的更多樣的社區管理領域,同樣可以發揮巨大作用。2020年年初,達索系統就提出了數字化革命從原來物質世界中沒有生命的“thing”擴展到有生命的“life”,比如,人體健康的管理,疾病預測等。


      事實上,健康服務不僅包括醫療服務,還包括健康管理與促進、健康保險以及相關服務。發達國家健康服務業規??蛇_其國內生產總值的 10%~17%,而我國健康服務產業目前仍以醫療衛生服務為主,前端產業(疾病預防和健康維持類)和后端產業(健康促進和提升類)規模小、內容少、發展滯后,且總量較小。


      當前,產業大多聚焦于老年健康服務,對慢性病和亞健康人群的健康服務較為缺乏;而健康服務需求正由線下模式轉到以線上為主、線下為輔的新模式,由單次體檢轉變為長期、連續的監測和干預。


      疫情期間,宅在家中的生活模式更使人們意識到家庭場景中健康服務的缺失,比如缺乏連續測量監測以及上傳個人健康體征數據的工具,缺乏有效的通道使居民高效獲得簽約家庭醫生的健康指導和治療方案,缺乏便捷的方式讓居民獲取高端增值的個性化健康管理服務(如膳食營養、健身服務等)。


      數字孿生為家庭健康服務創造了條件——數字孿生在整個生命周期中,在虛體空間中所構建數字模型,于此形成了與物理實體空間中的現實事物所對應的在形、態、行為和質地上都相像的虛實精確映射。


      顯然,通過視覺傳感器、人工智能芯片、深度學習算法及數字孿生建模技術實現家庭成員(尤其是老年人)日常行為活動姿態、健康風險情況的監測與預警,起到全面關愛家庭成員健康,降低服務成本,提高家庭健康服務質量,降低家庭成員健康風險隱患,實現家庭健康的智能化精細化管理的作用。尤其對于養老產業的推動與變革,可以說數字孿生將具有革命性的意義。


      當然,與此同時,國家標準對個人健康狀態遠程監測、設備互連提出了基本要求。但是針對數字健康建筑和家庭服務技術方案在標準層面尚缺乏適用的標準依據,亟需制定數字健康建筑和家庭服務分級、分類的建設、管理、評價等標準,為提供高質量數字健康家庭服務奠定基礎。


      數字健康家庭服務相關標準缺失,產品質量規范化和一致性難以保證,需要統一數字健康家庭服務基礎標準、建設指南和管理規范。


      此外,在數字孿生建立數字人體方面,人體比機械要復雜太多,人體有37萬億個細胞,每一個細胞生命周期里又有4200萬的蛋白質。人體數字化,即基于人體相關的多學科、多專業知識的系統化研究,并將這些知識全部注入人體的數字孿生體中。這有利于降低各種手術風險,提高成功率,改進藥物研發,提高藥物的效用。


      數字孿生體是與實體世界對應的數字化表達方式。數字孿生始于數字化,又不止于數字化,接受物理信息,更驅動物理世界。從原子、器件擴展到健康、人體的應用,還將展示關于數字化的更多潛力。但我們可以預見的事數字孿生將會成為萬物互聯時代更為頂層,更為核心的系統設計技術,包括人類在內的地球管理將基于數字孿生驅動而進入真正意義上的數字化管理模式。


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