人们对连接虚拟世界和现实世界的技术和概念的兴趣与日俱增，例如数字双胞胎、元宇宙和CPS。这些技术及其应用为现实世界带来了什么好处？在本文中，我们将解释如何使用连接虚拟世界和现实世界的技术，包括数字双胞胎。
连接虚拟世界和现实世界的技术和流程
过去，在现实世界中发生的事情和在虚拟世界中发生的事情都是不相交的单独事件，就像平行世界一样。但是，随着数字技术的发展，连接这两个世界已成为可能。
物联网对于连接现实世界和虚拟世界至关重要。物联网通过使用传感器收集有关现实世界中发生的所有事件的数据，在打开通往虚拟世界的门户方面发挥着作用。数字双胞胎和元宇宙是现实世界与虚拟世界融合的代表性例子。让我们仔细看看数字双胞胎和元宇宙，以及深度参与其中的CPS。
什么是数字双胞胎？
数字双胞胎是将现实世界中的物体和事件数字化，并在虚拟世界或其背后的技术中实时再现它们。数字双胞胎的意思是 “数字双胞胎”，正是这样：在数字世界中复制精确的复制品。其目的是理想地操作和管理现实世界中的对象和事件，例如工厂、产品、城市规划和施工计划。
例如，如果将生产工厂复制为数字双胞胎，则现实世界中的生产线也会完全照原样再现。设备和人员的运营、原材料和产品的储存和进出，甚至是随后的市场运输，都是用数字双胞胎构造的，这些工厂周围的生产系统都在计算机上运行。在这种情况下，可以利用数字化双胞胎提前预测和测试产品设计、生产线的运行状态、故障发生频率、产品的存储和流动、仓库的布局以及运输状态。
如果你只看这些部分，可能很难看出与在传统虚拟空间中进行仿真的模拟器有什么区别。仿真和数字双胞胎之间的主要区别在于时间轴的广度和精度以及预期范围的规模。数字双胞胎可以使用与现实世界物体相关的模型进行测试，并可以运行，其特点是具有高实时性。此外，与根据过去的示例创建的模拟不同，可以看到当前的情况甚至未来。
数据同步变化的范围很广，与检查一个过程的典型仿真不同，多个过程会发生变化。这使得研究变更造成的影响范围成为可能。
如此大规模的调查使其应用于广泛的领域。它在城市发展和建筑设计中也非常有用，因为它可以减少工作所需的时间，否则需要在多个开发过程之间进行多轮来回才能最终完成设计。预计它将作为下一代制造和开发流程进展的一种形式用于各个领域。
什么是元宇宙？
元宇宙是建立在互联网上的虚拟世界或空间。在元宇宙中，可以进行超越现实世界的体验和交流，也可以开展经济活动。用户可以在三维虚拟空间中代表自己的头像自由移动，与人互动，购买和出售商品和服务，并享受广泛的体验。
什么是 CPS？
CPS 是 Cyber-Physical System 的缩写，指的是连接现实世界和虚拟世界的系统或概念。这个概念是指在虚拟空间（网络空间）中使用计算机技术分析从现实世界中的物理系统收集的信息的过程。在这种情况下，通过传感器系统获得的数据用于从物理系统转换为网络空间。这允许进行定量分析，而不是主观经验或直觉。CPS 可用于各种应用程序，例如用虚拟世界替换现实世界中的事件，反之，在现实世界中表达虚拟世界事件。
数字双胞胎、元宇宙和 CPS 之间的区别
数字双胞胎、元宇宙和CPS都与现实世界和虚拟世界的融合有关，但它们之间有一些区别：
- 数字双胞胎是现实世界物体或技术的实时数字表示。
- 元宇宙是一个虚拟空间或一种使用该空间的应用技术。
- CPS 是一个在虚拟世界中分析现实世界中的事件，然后用于造福现实世界的过程。
因此，数字双胞胎是技术和工具，元宇宙代表空间或领域，CPS 指的是过程。从数字双胞胎的角度考虑数字双胞胎时，元宇宙是数字双胞胎存在的空间，而CPS是利用数字双胞胎反馈现实世界的过程。
数字双胞胎背后的技术
数字双胞胎中使用了以下技术：
IoT
IoT（物联网）是一种将电子设备、工业机械、汽车和家用电器等一切连接到因特网并共享信息的技术。要构建高度精确的数字双胞胎，需要有关现实世界物体的大量详细数据。物联网是实现数字双胞胎的基本要素之一，该数字双胞胎收集对象数据并在虚拟世界中持续反映这些信息。
参考文章：传感和物联网的发展带来的行业变革——借助人工智能和边缘技术进入下一阶段 | Stratus Blog
AI
它现在更常被称为AI，但过去更常被称为人工智能。AI 的最大特点是，它是一种不仅可以积累知识而且能够自行做出判断的智能。做出判断以前是只有人类才能完成的任务，但是随着AI的实际应用，机器现在可以代表我们采取行动。不仅如此，现在还可以做出高精度的判断和区分，例如高速分析大量数据和注意到人类无法注意到的事情。在数字双胞胎中，现实世界中的事物在虚拟世界中精确再现，分析结果反馈到现实世界。目前，AI 的存在对于分析至关重要。
不仅AI的信息处理能力得到提高，而且由于物联网的普及而获得的数据量也有所增加，因此AI有更多自我学习的机会。这使得获得更准确的分析结果成为可能。AI 是数字双胞胎的基本技术，需要高速和精确的分析。
5G
5G（第 5 代移动通信系统）是一种通信技术，可以以低延迟高速传输和接收大量数据。对于需要在虚拟世界中进行实时数据反射的数字双胞胎来说，数据传输和接收的高速和稳定性很重要。未来，预计5G在数字双胞胎中的使用将越来越多。
虚拟现实、AR、MR
VR（虚拟现实）、AR（增强现实）和 MR（混合现实）也是用于数字双胞胎的重要技术。通过在虚拟世界中体验现实世界中的事物，在现实世界中表达虚拟世界中的事物，可以使数字双胞胎具有更高的现实水平。它们充当体验数字双胞胎的接口。
使用数字双胞胎的好处
使用数字双胞胎可以带来以下好处：
提高了安全性
使用数字双胞胎，您可以使用复制现实世界中存在的模型来进行现实世界中不可能的测试。您还可以进行涉及危险操作或超负荷的测试，并根据这些极限确定保证安全的极限以及安全系数。您还可以测试错误或事故的后果将在多大程度上产生影响。
缩短交货时间和 TTM
为在现实世界中运行的系统或工厂开发新系统或产品需要花费大量时间。例如，在工厂中，必须抽出生产线停止的时间来进行测试或原型生产。在每个部门或业务合作伙伴确认后必须重新测试的情况并不少见。通过使用数字双胞胎，可以立即执行多种类型的测试，从而加快开发过程。这可以缩短产品交货时间和 TTM（上市时间）。
故障预测和预测性维护
通过使用数字双胞胎分析运营模式，可以在故障发生之前确定故障迹象、耗材老化周期等。通过根据此类分析结果预测故障，可以进行预测性维护，例如更换零件或提前维修。
质量改进
在现实世界中继续运营的同时，数字双胞胎使尝试不同的制造流程和存储方法成为可能，从而提高质量。
成本降低
使用数字双胞胎，无论现实世界中的运行条件或生产过程如何，您都可以随时进行测试和模拟。这意味着没有必要损失销售额或雇用大量员工。它还通过简化测试、开发流程和设备维护来降低各种流程的成本。
数字双胞胎用例
实际上，数字双胞胎正在以下地方和领域中使用：
使用 3D 城市模型创建智慧城市
国土、基础设施、运输和旅游部启动了一个名为 “PLATEAU” 的项目，该项目允许将日本的三维城市模型用作数字双胞胎。您不仅可以在虚拟空间中在城市中漫步，还可以将其用于虚拟空间中的城市发展。实际上，涩谷已经开始使用它来创建智慧城市。
重新创建施工现场以优化施工
以重型机械闻名的小松目前正在开发一种系统，通过使用建筑工地的数字双胞胎来优化施工工作。不仅可以实时检查施工状态，还可以分析未来的预测和事故风险预测，这将提高施工安全性。此外，可以通过使用数字双胞胎进行分析来制定施工计划，从而可以显著缩短交货时间。
预测异常并预防事故的工厂
以空调和工业机械闻名的大金工业已开始与其智能工厂一起运营数字双胞胎。除了来自生产线的控制数据外，数字双胞胎还反映了工人的生物识别数据、工厂内部温度和二氧化碳浓度等数据。这有助于预测异常情况并防止严重事件。
有关制造业中使用数字双胞胎的示例，另请参阅” 为什么数字双胞胎引起制造业的关注？介绍背景、优势和示例。”
用数字双胞胎创造新的未来
通过使用数字双胞胎，可以将虚拟世界中的事件与现实世界中的事件联系起来，而现实世界中的事件迄今为止一直被视为独立的实体，并提高现实世界中的安全性、质量和效率。过去需要反复试验和下一步反馈的流程现在可以在数字虚拟空间中进行测试，并且可以直接提供反馈。数字双胞胎有望成为一项通过连接虚拟世界与现实世界来创造新未来的技术。
