數位孿生是什麼？分身技術與挑戰一次看，虛擬模型能重塑真實世界？

袋鼠金融導讀│隨著科技不斷發展，「數位孿生」已成為各領域熱門的討論焦點。究竟數位孿生是什麼呢？袋鼠金融將帶您探索數位孿生系統和技術，以及數位孿生應用與實際案例等，讓您了解這項結合了物聯網、AI、大數據分析等多種先進技術的新興概念，為實體世界建立一個高度精確的數位模型或虛擬化身！若想了解最新產業趨勢如人形機器人、ChatGPT、無人駕駛，歡迎點選相關文章哦。

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什麼是數位孿生？數位孿生定義

數位孿生 (Digital Twin) 又稱為數位分身、數位雙生，是利用虛擬模型對映真實世界中的實體物件或流程，並透過即時資料連結與同步，實現雙向模擬和互動。

我們用簡單的例子來解釋數位孿生的概念：想像一下你有一輛真實存在的汽車。數位孿生就是在虛擬世界裡建立這輛車的一個完全相同的數位分身。這個數位分身不僅在外觀和結構上與真實車輛一模一樣，它的內部運作也能夠對真實車況做出精確的模擬和預測。

具體來說，真實車輛上裝有各種感測器，能時時課課將車況資料回傳至數位分身，而數位分身利用這些即時數據，再配合大量歷史資料和車輛模型，就能準確模擬和預測出真車未來可能出現的狀況，比如預測哪些部件何時會需要維修更換、不同路況和駕駛習慣下的油耗表現、針對新零件升級方案預先評估對性能的影響等等。

一旦數位分身識別出問題或優化方向，真實車輛的使用者或維修人員就能提前獲知，並做出相應的調整和準備。透過數位和真實雙向交互，讓真實車輛能獲得比以往更好的使用維護體驗。

不同於傳統建模或模擬，數位孿生能夠動態反映實體的當前狀態，甚至預測並優化未來的運行狀況。

數位孿生的核心是虛實整合，將物理世界與虛擬世界連接，依賴感測器收集現場資訊，運用大數據分析和AI技術建立虛擬分身模型，再將分析預測結果反饋至實體系統。如此一來，模型與實體可以相互影響、自我調整，形成一個閉環的協同優化過程。

憑藉這種獨特的虛實融合能力，數位孿生被廣泛應用於製造、醫療、交通、能源等領域，用於產品設計、預測維護、流程優化和決策分析，有助提高系統效率、延長產品生命週期、降低運營成本。

數位孿生 vs 模擬 vs 虛擬實境 

數位孿生常和模擬、虛擬實境混淆。模擬著眼於基於參數的單向虛擬測試和優化；而虛擬實境 (VR) 則是構建一個全新的虛擬環境供人機互動體驗。

數位孿生則聚焦於與真實世界的映射和雙向交互，可視為現實映射、模擬和數據分析的整合，是當前較為先進的虛實融合技術形式。

以下為三者差異整理：

數位孿生的技術架構

數位孿生技術的核心需要以下關鍵技術環節。

1. 實體數據採集：首先是透過物聯網技術在實體系統上部署各類感測器，收集運行數據如溫度、壓力、振動等，並將這些即時數據實時上傳至雲端或邊緣節點。

2. 虛擬分身建模：利用電腦輔助設計(CAD)、計算機模擬等技術，在虛擬空間裡建立與實體系統高度相似的數位化複製品。這個數位分身不僅在外觀上一模一樣，內在的物理屬性和運行邏輯也要高度貼近實體。

3. 數據融合分析：將前端收集的實體運行數據導入虛擬分身模型進行融合，依AI演算法對數據進行分析、建模，持續調整優化虛擬模型的參數，使其動態反映和預測實體系統的實際狀態。

4. 虛實無縫連接：通過雲端或現場部署的數位孿生平台，實現模型與實體的無縫連接，一方面將模型分析預測的結果反饋至現場優化實體運行，另一方面實體狀態的變化也會持續更新模型端，形成閉環。

通過如此虛實高度融合映射，數位孿生能夠實現對複雜系統的全生命週期管理，大幅提高運營效率、延長設備壽命、降低維護成本。

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數位孿生的應用

數位孿生的應用一：智慧交通

通過建立車輛、道路、紅綠燈等交通元素的數位孿生，並與實際系統數據連接，可實現全方位的智慧交通管理。例如，數位孿生可模擬不同路況、天氣、車流量等情況下的交通運行情形，預測潛在的擁堵風險點並提前調度，大幅提升路網通行效率。同時，對公共交通車輛、貨運車隊等進行數位化建模，持續監測行車狀態、優化行車路線和調度，提升運能利用率。

此外，數位孿生還可應用於交通基礎設施管理，對橋樑、隧道等設施的使用狀況及結構健康狀態進行長期監測與分析，實現預測性維護，避免突發事件，延長使用壽命。

數位孿生的應用二：智慧工廠

製造業無疑是數位孿生技術應用最為廣泛和成熟的領域，通過在產線上部署傳感器，將生產設備、產品和工藝流程全流程數位化，建立與現場一一對應的虛擬工廠，實現對生產全生命週期的實時監控和優化管理。

在生產運營層面，數位孿生能夠預測設備故障發生的時間點及故障原因，實現以預測性維修取代傳統的批次維修，避免突發性停機，提高設備運行效率。同時，也能對工藝參數進行優化，減少浪費，提升產品良率。

在產品研發方面，通過數位孿生進行模擬和優化，大大縮短了產品設計調試週期。加快上市速度。產品投產後，還可持續優化升級，延長產品生命週期等功用。

數位孿生的應用三：智慧城市

在城市規劃方面，數位孿生技術可用於模擬不同建設方案下的交通流量、能源消耗、環境影響等，優化城市總體布局和關鍵節點設計。在建設施工期間，數位孿生可監控工程物資、人員調度，優化施工組織方案成為智慧工地。

進入運營後，則可對市政管理網站、水電氣、環境監測等城市運行系統實施數位化管控，及時發現風險點；同時，還能模擬應急演練，提高突發事件的處置能力。

數位孿生的應用四：醫療健康領域之監測

通過建立人體器官或生理系統的高保真虛擬模型，醫生可以在數位孿生平台上模擬手術操作、驗證治療方案的有效性和安全性，為臨床決策提供有力支持。同時，結合患者的生理數據實時更新虛擬模型，有助提高個體化治療的精準度。

另一方面，數位孿生可複製醫療設備的工作狀態，通過模型分析對設備進行故障預測和預防性維護，減少醫療風險。對於新冠等大規模疫情，數位孿生受期許能模擬病毒傳播情況，優化防控部署和醫療資源調度，為制定更有效的應對策略提供技術支撐。

數位孿生的挑戰

數位孿生的挑戰一：大量資料採集與整合

數位孿生對資料的需求可說是海量等級，既需要大量的歷史資料用於模型訓練，也需要實時資料流持續輸入以保證模型與實體的同步。這些複雜的結構化、非結構化資料可能來自於多個異質系統和不同部門，如何高效整合並實現資料互通是一大挑戰。另外，一些傳統設備和流程缺乏數據採集能力，大量更新的成本相當可觀，帶給數位化建模障礙。

數位孿生的挑戰二：模型建立與計算能力

模型需要精準描繪系統各組成部分的幾何、物理、邏輯等多方面特徵，模擬其內部的各種動態過程，對演算法來說要求都很高。此外，隨著模型複雜度快速增長，所需的計算和存儲資源可能遠超現有能力，而模型的可視化和人機交互界面也值得關注。

數位孿生的挑戰三： 數據安全和知識產權保護

數位孿生系統內匯集了大量關鍵資料，也導致資安問題為一大隱憂。如何在虛實交互過程中保護好這些核心資產、實現數據安全和知識產權有效管控，是數位孿生技術應用的一大課題。

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結語

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