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數位孿生背景影像

數位分身: 連接現實與虛擬世界

 

 

 

 

June 2022

Jon Gamble,愛立信,Imagine Studio,要求您想像螢幕之外的數位世界。

What?


數位孿生是實體物件、流程和系統的動態虛擬複製品,可實現無風險測試和原型設計,提高效率、生產率和安全性,並加快上市時間。

Why?


作為虛擬實驗室,數位孿生能夠進行預測和預測性維護,以減少停機時間、浪費和成本,同時提高供應鏈的效率和有效的遠端協作,從而減少碳密集型旅行的需求。

How?


數位孿生是連接、雲端運算、人工智慧和遙感領域創新的產物,它依靠不斷更新的現實世界資料流來與實體資料同步。

外卖

數位孿生可提高生產力、安全性和質量,並透過消除差旅需求和浪費來支持永續發展目標


數位孿生在愛立信工廠中發揮重要作用,將計劃外停機時間減少了約 50%


預計到 2026 年,全球數位孿生市場價值將達到 482 億美元


天線/現場安裝從「勘察完成」到「設計完成」的交貨時間縮短了 50%


數位孿生將創建一個“網路實體連續體”,這意味著任一現實中的事件都會影響另一個現實,從而模糊虛擬與現實之間的區別

Background image

數位分身賦予我們洞察八方的能力

數位分身賦予我們洞察八方的能力

在虛擬的現實世界中,人們可以模擬出各式各樣的地點、物品和系統,在沒有風險或打擾的情況下展開實驗。

假如你是想要嘗試新的風力渦輪機設計的工程師, 比起遠端測試,在虛擬世界中測試是不是會更好? 假如你負責管理一系列的遠端工廠,想比較每一個工廠的表現如何。 如果能不離開辦公桌就能訪問每個廠址,豈不是非常高效?

數位分身提供了一個測試平臺,或稱之為虛擬視角,讓你可以在應用到現實世界之前,先在虛擬世界中預先模擬。 這就是數位分身的魅力所在!

由於新技術的彙集,5G、感測器和擴展實境(Extended Realit, XR)設備等越來越普及,數位分身技術直到近期才得以廣泛使用。 儘管如此,早在20世紀60年代,美國國家航空暨太空總署(NASA) 就為太空任務引入了複製系統,以便在可控的環境中測試設備,並最終讓阿波羅 13號在1970年成功發射。 然而直到1992年,David Gelernter才在他的著作《鏡像世界》(Mirror Worlds)中描繪了這種技術更大的可能——未來的計算機系統將相互連接 ,它們創建的映像可以交互,並能作用於現實世界。

數位分身的實際概念,是Michael Grieves博士在2002年提出的, 他在對產品生命週期管理進行研究時引入了這個概念。 從那以後,數位分身逐漸成為現實,並在港口和工廠等地點實現了可視化和自動化。 據預測,數位分身將成為最有市場前景的一項技術,到2026年,潛在市場價值在全球將達到480億美元(來源:MarketsandMarkets)。

模型和模擬

數位分身是什麼呢? 如果在網上搜索,你會發現各種各樣的解釋。 舉例來說,數位分身可以被定義為軟體形式的物品和流程,具有非現實世界能力的增強,又或者是現實中事物的虛擬複製以及與之關聯的流程,可以用來預測現實或與現實交互作用。

簡而言之,想像進入一個虛擬複製的客廳,每樣東西都以數位的方式呈現,並擺放在原有的位置上。 當你在真實世界的家中打開電視,虛擬房間中的那台「電視」也會近乎即時地打開——換句話說,同樣的動作可以在兩個不同的現實之間傳遞。 虛擬世界可以複製諸多現實元素,還可以根據真實世界發生的事件不斷調整和學習,這就是數位分身的基礎。

為了更好地理解數位分身是什麼,我們必須區分數位分身與模擬(simulation),理解兩者重要的異同之處。

模擬是由設計者的想像力創造的,他們使用模擬來分析不同場景的因果關係,而且基本上都是離線進行的。 在大多數情況下,模擬是一次性任務,幫助設計和分析研究。 相比之下,數位分身是由真實世界和虛擬世界之間的資訊即時同步驅動的,因此它能夠適應兩個世界中的變化。故模擬主要是理論上的,而數位分身是具體且實際的。

數位分身與元宇宙也有一些相似之處,它們都是提供虛擬互動的數位空間。 但元宇宙和模擬更為相似,兩者都是由開發者構建的,通常代表一個虛擬領域(如未來主義的景觀或一座童話城堡),它所代表的世界可能與真實世界沒有關聯或只是部分相似。 然而數位分身是因數據而生(例如:虛擬和現實之間不斷傳輸的數據),真正達到了對現實世界的複製。 我們可以把數位分身看作是真實世界的映射,它會定期更新以保持兩個世界的同步運轉。

數位分身有以下4項主要特徵:

  1. 用數據模型和數據結構展示對真實世界中的目標的觀察、其狀態和它們之間的關係。
  2. 使用真實世界的數據創建數位分身。 而且通常數據是持續更新的,以確保數位分身世界的準確度和即時性。
  3. 可以使用數據分析工具,解鎖數位分身的能力並獲得新的洞察。 這可能是從一個或多個感測器中獲取的數據,也可能是採用複雜的演算法來預測未來、類比不同的場景或 做出分析。
  4. 具有通過各種API、GUI或其他人機介面與數位分身互動的技術; 獲得洞察並用來在現實世界中做出更好的決策,這些決策可以在真實或虛擬世界中得到實踐。
開放性
定位
感知
認知網絡
可視化
讓它發生

數位分身具有廣泛的功能。 隨著時間的推移,未來會湧現出各式各樣的應用和更多種類的數位分身。 這一切都要從主系統的某個簡單要素開始,例如溫度感測器或流量檢測器。 隨著多個部分的結合,數位分身將提供僅憑查看單個部分無法獲得的資訊,反映出各個部分之間的交互情況。 舉例來說,當某個地點具有完整的數位化呈現,數位分身就可以指示如何提高生產率、品質和安全性。

此外,數位分身不受地域的限制,它可以在任何情況下造訪並與他人協作。 不同數位分身之間的無限連接還能實現跨系統的學習,例如向其它地區的工業部門學習,從而得到更深層的洞察。

數位分身與工業

在當前的數位轉型中,人們更加期待行動連網的全部潛力。 大家達成的共識是,數位分身會在轉型中發揮重要作用。 愛立信的許多研究就是在這樣的背景下展開的。 我們位於美國德州的工廠,也展開了一項數位轉型計劃,透過數位分身的使用,讓表面貼裝組裝(Surface Mount Assembly, SMA)生產線的意外停機時間減少了50%,廢棄物也減少了 30%。

愛立信與義大利的利沃諾港合作,利用數位分身找出可以優化港口營運的方式,以及可以帶來經濟、社會和財務效益的要素。 這個方法是透過相機、GPS和其他裝設在物體上的感測器對港口活動持續進行監控。 此舉說明管理者在現實世界中進行調整,並產生了可衡量的影響:

  • 據估計,船舶作業之完成時間減少了13%,叉車的使用時間減少了17%,最終減少了超過8%的碳排放量。
  • 中型港口貨運碼頭預計每年可節省約6000萬美元的成本。
  • 利沃諾港的研究提供了強而有力的證據,證明13項與環境永續和人員安全有關的直接和間接效益都能夠透過更好的網路連接得以實現。
  • 我們可以對整個碼頭的資產和工作表現趨勢進行監控,以實現預測性主動維護,甚至遠端維護。

在汽車製造業中,數位分身已被廣泛應用,讓身處世界各地的設計、工程和製造團隊,可以實現更良好的協作,從而加快開發速度。

例如,英國電信(BT)、愛立信、英偉達(NVIDIA)和Hyperbat(一家汽車電池製造商)展開合作,在工廠車間呈現出1:1設備大小的3D複製品,使人們能夠在 虛擬、共用和可控的空間中協同開發。 這使得Hyperbat能夠在其製造過程中提高效率,同時也消除了多個團隊使用不同管理系統而帶來的複雜性。

無獨有偶,市場領先的耳機製造商Varjo的創始人兼首席技術長Urho Konttori也指出,有了這項技術,團隊感覺辦公室與工廠之間的距離更近了,在一個虛擬空間內實現全連接,還免除了出差的辛勞。

“團隊不再感覺像主辦公室或工廠的衛星,而是一個單一的項目,在一個公共虛擬空間中完全連接,消除了商務旅行的需要。”

Urho Konttori,Varjo 創辦人兼技術長

背景圖片

Varjo 技術長 Urho Konttori 討論了製造人眼品質耳機所面臨的挑戰。

數位分身在諸多產業中的好處:

好處

概述

風險管理 情景建模、預測、決策
提高生產力 工作表現分析、減少停機時間
預測性維護 可靠性,減少成本
遠端協作 設計訂製化,減少差旅需求
即時監控 提升客戶服務品質,增強全生命周期 產品洞察,實現更高效的供應鏈
遠端操作 新技術用以遠端支援任務關鍵性操作(需要非常低的延遲),增加員工安全性

下一步如何?

隨著更多設備和應用程式的連結,越來越多的行業和企業開始使用數位分身,使各個系統的連結具有無限可能。

同時,人工智慧演算法和數位分身的結合對產業而言十分重要,因為它們將為應用和服務提供新的技術解決方案。 為了實現這一點,數據傳輸的數量和頻率會增加,這意味著對網路更高的要求。

在數據不夠的情況下,可以考慮利用數位分身來獲得資訊,並不斷從中學習。 在這類情況下,數位分身可以與人工智慧演算法結合,做出合理的決策,以彌補感測器位置或網路的限制所造成的不足。

目前,為了讓人們更加瞭解數位分身的潛力,我們仍許多地方需要努力。 愛立信產業實驗室最近發佈的一份報告顯示,數位分身能為製造商帶來好處,使他們了解平時「最沒有意識到的部分」,而那些使用了數位分身的製造商立即就看到了它的好處。

了解數位孿生如何使建築業和醫學學習更加有效。

窺探未來

網路升級和擴建是維持網路品質、啟用新服務和技術的核心,也是影響投資決策的主要因素。 因此,我們必須確保正確的進入時機,並選擇最合適的解決方案。

從分佈在各處的感測器收集數據以創建數位分身可以幫助場景規劃,從而優化投資或調整營運方式。 舉例來說,這麼做可以更詳細地評估產品是否達到客戶的期望值,以避免財務風險,同時實現最佳投資回報和客戶滿意度。

到2030年,數位分身將在醫療方面扮演重要的角色,透過人體數位化對用戶持續進行追蹤診斷,防患於未然。 飛利浦醫療認為,未來可能會有「患者的個人化終身模型」,隨著每次體檢、掃描或檢查而不斷更新數據(也括行為數據和基因數據)。

如果這項技術可以通過新型可穿戴設備(相當於用於糖尿病的感測器)進行擴展,人們將獲得具備移動能力、環境變化和日常生活方面的資訊。 數位分身將使內科或外科醫生對患者的健康有更全面的了解,從而更廣泛地發揮他們的醫學才能。 隨著機器認知能力的發展(比如模式識別和大量相關的模擬),醫生能夠獲得的資訊將遠高出於現在的資訊量。

除了增加永續性、提高效率、降低差旅和減少浪費帶來的好處之外,「遊戲為善(Games for Good)」的引入也可能對社會產生深遠影響。

它通過遊戲化手段和對個人習慣的瞭解,連接現實和虛擬世界。 舉例來說,孩子可以在學校的操場上收集垃圾,當把垃圾放進垃圾桶時,網路會計算垃圾的重量,然後給予他們數位化獎勵,以便在他們喜歡的遊戲中使用。

另外,玩家也可以在虛擬世界中暢遊,這個虛擬世界是一個現實地點的複製,例如: 海邊。 他們可以控制現實世界中的設備,清除海灘上的垃圾。 而海灘上的一切可以被數位捕捉並即時更新到虛擬世界中。 為了確保安全,還可以進一步實施SLAM(同步定位和映射)和深度學習,防止物品在真實世界中發生碰撞或損壞。

歐盟委員會認為,到2030年,數位分身的地球將會出現,用以支援名為DestinE的氣候行動。 使用人工智慧,進行即時、連續而符合情景的監測,將幫助預測自然和人類的活動。 在南極洲,愛丁堡大學已經可以通過數位分身追蹤環境和地理的重要變數,比如冰面上或冰面下融冰可能的去向, 從多個不同的來源和地點收集數據,因此「連結」將發揮重要的作用。

數位分身成為產業和社會的重要組成部分,愛立信將發揮什麼樣的作用?

在不久的將來,數位分身將以某種方式影響我們的生活。 因此,愛立信不斷探索如何通過合作創建專業的解決方案,從中確定數位分身將以何種方式成為不斷發展的網路架構的一部分。

愛立信也在產業合作中發揮積極作用,並幫助在數位孿生技術的詞彙、架構、安全性和互通性方面引領一致的標準。具體來說,愛立信重點在於五個領域:

50.00 % decrease
in planned downtime
30.00 % reduction
in waste

數位分身在虛擬端仰賴軟體,在現實端則仰賴感測器。 行動網路將這些功能結合在一起,為數位分身應用軟體(通常有人工智慧的協助)提供高效可靠的連結和網路嵌入式的計算能力。 此外,網路本身也有對數位分身有價值的數據,例如在定位和感知方面(如下文所述)。

數位分身能夠調整網路服務以匹配使用方式。 例如,某個數位分身中的即時複製需要低延遲通道,那麼網路將會動態調整以匹配這個需求,包括連結需求和軟體元件在邊緣數據中的位置需求。

數位分身的一項基本層面是將資訊與空間和時間環境相關聯的能力,其定位精準度的不同會導致不同的表現以及局限性。舉例來說,除非使用中繼器,否則GPS無法在室內工作, 相機能提供高精確度的資訊,但正常工作范圍只有大約50到60米。 然而,行動連結已經可以提供定位和即時數據的功能,並且正在逐步發展。

新一代網路不斷發展,可以增強感知能力,實現對被動式設備的觀測。 例如,在工廠環境中,設備或授權網路應用程式的位置可以使用其他獨立的定位資訊進行驗證 。 網路驗證將發揮重要作用,確保關鍵通訊環境的韌性,抵禦干擾和惡意軟體的威脅。

這一點在數位分身領域非常重要,尤其是當需要追蹤車輛、貨物,或提供移動物體的即時AR 資訊時, 定位的準確性取決於任務類型。

舉例來說,對於港口儲存區的貨物,精準度必須在20到30公分之間,而在數位分身的系統中,對於來回穿梭的叉車來說,定位精準度則需在0.5到1公尺之間。 因此在使用AR時,定位的精準度在很大程度上取決於應用的領域。 如果需要獲取某個具體部分的資訊,例如開關或按鈕,定位精準度則必須在公釐到幾公分的範圍之內 。

新一代網路將支援更高級別的感知,提高可用數據水準。

數位分身需要輸入數據才能讓客戶真正受益,而這種輸入可以來自外部也可以來自網路本身。這通常被稱為通訊感知一體化 (JCAS),像是透過從通訊節點收集有關接收信號強度的訊息,結合本地天氣狀況的詳細數據,可用於提高天氣預測的準確性。

再舉一例,我們可以利用為通訊部署的大量節點,創造類似雷達的功能。 有了此功能,就可以建立周圍環境的數位地圖,並將其用於交通管理、醫療 和安全等應用。

在這些例子中,感知是在部署的網路之上的一種增值服務,它可以實現高成本效益的感知和更廣泛的覆蓋範圍,並且能補充甚至取代專用的感知系統。若要實現這些優勢,就必須更有效地利用無線資源,在結果的分發上具備可擴展的機制,還要有基於人工智慧的結果解析。 當然,保證收集資訊隱私的機制更是至關重要的一點。

隨著網路變得更加自動化,多層面的智慧將為產業帶來益處。 在認知能力的推動下,系統可以在幾乎沒有人類參與的情況下採取行動、做出改變和決策,但這需要數位分身的支援。

隨著時間的推移,這些能力將擴張,承擔起目前只有人類才能履行的責任。 數位分身可以為這一認知決策過程提供重要輸入,以確保選出最佳方案。 可能實現的應用如下列所示:

  1. 認知系統可以要求數位分身評估不同的配置和場景,以便在近乎沒有人為干預的情況下安全運行,或者確定如何最好地達到不同服務的性能目標。
  2. 數位分身可以獲得來自其他智慧系統的知識和預測,從而做出更好的選擇。 例如,通過使用多樣的即時數據,可以收集多個行動目標的資訊,並用來實現網路資源的最佳利用,像是運用在調度機制的方面。
  3. 人工智慧演算法可以在數位分身環境中安全地進行訓練,還可以生成足夠的訓練數據。 這將使這個組合更有效地學習,透過反饋和經驗生成最佳的解決方案,以提高生產力、品質或安全性。

可視化對我們來說仍然是一個挑戰。延展實境(XR)技術,尤其是虛擬實境(VR)和擴增實境(AR),是理想的可視化和交互工具。 它們利用3D幾何、空間計算、音訊、影像、文件和來自多個來源的媒體,將數位分身的信息以視覺方式呈現:

  • 有了虛擬實境,使用者可以與同事遠端協作,操縱物體,避免設備受到傷害或損壞。
  • 有了擴增實境,數位分身的元素可以融合到與人類感知相對應的物理環境中。 因此,由對應的數位內容驅動的擴增實境(AR)體驗,融合了現實和虛擬的表現形式。

如今,VR和AR設備的空間精準度都已達到公分的級別。 如果動作捕捉的精準度是關鍵,這個精準度仍會限制應用案例的實現。 然而,隨著新產品不斷引入市場,這些可視化技術將繼續發展。 隨著可視化精度的提高,不久的將來,數位分身將能充分發揮其全部潛力。

總結

未來幾年,數位分身的演變將把在兩個現實中存在的東西融為一體,使用者在一個世界中的行為 ,將對另一個世界造成影響。 隨著這兩個世界不斷地相互監測、相互學習,然後做出適應,數位分身所帶來的機會看起來具有無限的可能。

未來數位分身必將發揮更大的作用,為使用者、工作場所乃至整個世界帶來巨大的影響。

愛立信 Imagine Studio 的 Jon Gamble 討論了我們如何利用改變遊戲規則的技術來建立現有的數位現實。

2030 願景

Contributors

Giulio Bottari

Master Researcher

Peter Öhlén

Principal Researcher

Fredrik Gunnarsson

Expert in RAN Automation and Positioning

Fedor Chernogorov

Master Researcher

Marzio Puleri

Master Researcher