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2020.09.24

【新興領域:9月焦點8】數位分身(Digital Twin)技術發展趨勢與不同層次應用模式

數位分身(Digital Twin)是工業4.0的重要環節,為智慧製造或數位轉型的切入方向,近期的討論已漸漸延伸到更多元的產業應用。本文從數位分身的基礎技術、應用價值與關鍵業者,並進一步從產品/資產的數位化和管理、個人、服務與網絡化等三個構面分析數位分身應用模式,提供我國數位經濟發展思考的新切入點。

(圖片來源:Industry 4.0_Rushttps://pse.is/vmvdb

前言:數位分身技術發展與應用趨勢

國際上在討論數位分身(Digital Twin)的概念始於2002年,與產品生命週期管理(Product Lifecycle Management, PLM)息息相關。近期數位分身連續在2017~2019三年被顧能(Gartner)納入十大技術趨勢預測,在Gartner發布的2018年新興技術發展週期報告(Hype Cycle for Emerging Technologies, 2018)指出,數位分身與區塊鏈、數據安全區塊鏈、物聯網平台和知識圖譜等技術,構築為數位化的生態體系(Digital Ecosystem);2020年Gartner則將其融入超自動化(Hyperautomation)趨勢中,超自動化也常導致組織的數位分身(digital twin of the organization, DTO),甚至是當前在談的智聯網(AIoT)的底層邏輯即是數位分身(彭昭,2019)。

反觀我國,目前僅有一些零星的應用個案,皮托科技數位分身涵蓋生產模擬與研發模擬兩個層次,為數位分身軟體服務的系統整合/解決方案業者;資策會受經濟部技術處和農委會支持,開發「智慧農業數位分身」等。從今(2020)年經濟部工業局切入的觀點是,數位分身只是手段,數位轉型才是主要目的,在領域應用上除了B端(製造業、醫療照護),更涉及C端(休閒娛樂、零售商務、健康運動等服務業)的討論。

當前數位分身已經在許多領域應用,並且涉及不同利害關係人的參與,然而對其組成卻尚未有一致性的共識。數位分身與電腦建模關鍵的差異在於,實體模型與數位模型之間的資料連結(Digital Twin Aggregate, DTA),數位分身的特性包括:第一、虛擬模型呈現一項獨特的實體資產;第二、持續收集資料(透過感測器)、與實體資產連結並更新狀態;第三、透過視覺化、分析、預測或最佳化提供價值。在應用上涉及不同尺度,從較小規模的特定材料、化學反應、藥物交互作用,到產品或製造流程的模擬,甚至是大尺度的模擬城市。

 

一、數位分身的基礎技術、應用價值與關鍵業者

(一)數位分身的基礎技術

近期數位分身的發展漸趨成熟主要受到以下五大科技趨勢的帶動,分別為:物聯網(Internet of Things, IoT)、雲端運算、應用程式介面和開放標準(APIs and open standard)、人工智慧和數位實境(digital reality)技術,說明如下。

第一、物聯網:快速的成長是驅動數位分身技術採用的重要因子。IoT技術讓數位分身更可以落實,因為在技術和經濟層面上對於大量資料的獲取皆較以前具可行性。

第二、雲端運算:開發、維護和使用數位分身涉及密集的運算和儲存功能。隨著處理器和儲存的成本下降,大規模資料中心網路透過「軟體即服務(software-as-a-service, SaaS)」解決方案,企業可以在有需求時獲得運算資源。

第三、應用程式介面和開放標準:現在可以取得開放標準和公共的應用程式介面,以快速簡化分享和資料交換,讓使用者可以從多方系統和工具快速且可靠地整合資料。

第四、人工智慧:先進分析工具的使用已快速改善,改變企業從大筆複雜資料集(dataset)中擷取有用洞見的作法。機器學習架構讓系統開發可以自動做決策和預測未來的情境。

第五、數位實境:為了運用數位分身產生的洞見並有效採取行動,必須透過2D螢幕或3D實體空間。目前,大部分的數位分身透過2D空間,因為傳統的運算規範限制顯示型態,例如電腦或螢幕。然而,AR帶動3D數位內容的顯示;同時,MR帶動在實體環境與數位內容的互動;VR創造出全然新的環境,以沉浸式的方式表現數位分身、創造資訊的豐富互動。綜合來看,上述前四項技術(IoT、雲端運算、APIs、人工智慧)作為數位分身的基礎技術,而AR、VR和MR則是視覺化數位分身的最佳工具,且以真實樣貌呈現給使用者。目前我國在此領域已有一些指標業者,例如HTC、佐臻、廣達、啟雲科技、宇萌數位科技等。

(二)數位分身的應用價值

在價值的創造上,數位分身的應用,提供不同方式創造價值,包括對產品、流程、使用者或是組織而言。第一、描述性價值(descriptive value):透過數位分身立即視覺化資產狀態的能力,位於遠距或相對危險位置但具高價值的資產,例如飛機、離岸風電渦輪、電力站和製造業者擁有的設備在客戶工廠營運,數位分身讓資訊更容易獲取和詮釋。第二、分析性價值(analytic value):數位分身納入模擬技術,可以提供無法在實體物件上直接計算的數據,作為當前產品障礙排除的工具,並且可以協助後續下世代產品最佳化效能。第三、診斷性價值(diagnostic value):數位分身可以涵蓋診斷性系統,運用數據建議特定狀況或行為的可能原因,該系統可以建立在公司的know-how或是利用分析和機器學習作法,以歷史資料去計算出關係。第四、預測性價值(predictive value):透過數位分身模型可以預測出實體模型的未來情境,例如GE在風力發電廠使用數位分身預測風力產出。最複雜的數位分身不僅只是預測未來可能產生的情況,更可以提出相對應的解決方案。數位分身在未來智慧工廠扮演重要角色,具備自動做決策並且最佳化顧客滿意和獲利率。

綜合來看,數位分身的早期採用者(early adopter)指出三大價值:1.資料導向(data-driven)的決策和合作;2.簡化的企業流程;3.新的營運模式。數位分身作為「產品即服務(product-as-a-service)」營運模式或服務化(servitization)發展的重要驅動力,尤其是企業不再以一次性銷售產品為營運模式,而是以成效(outcomes)為最終目的,而管理資產全生命週期的整體營運則為關鍵,數位分身提供製造業者可以遠距的檢視、診斷和最佳化其資產。

 (三)國際上數位分身技術平台關鍵業者

數位分身技術平台系統供應廠商有以下幾種型態:第一、CAD/CAM、產品生命週期管理(PLM)軟體廠商,與不同領域應用客戶密切合作,建立數位分身技術服務平台系統,如達梭系統(Dassault Systèmes)、參數科技(PTC)、ANSYS等;亦有針對特定領域提供數位分身服務的廠商,例如在智慧城市和基礎建設領域有芝加哥軟體公司Cityzenith、英國軟體公司IES、美商賓特利系統(Bentley Systems)等業者。

第二、國際大型產品製造廠商,藉由自身產品之數位分身技術應用,建立技術平台系統,進一步向外提供數位分身技術服務,例如通用電氣(GE)是航空界採用數位分身技術的領導廠商,2013年Predix平台原先是為了處理該公司噴射引擎和動力渦輪資料而設計,之後擴及應用至其他產業;2015年,GE成立「GE Digital」,並宣布將Predix全面對外開放(支持非GE設備);GE於2018年底計畫將GE Digital(包括Predix平台)作為一個獨立的新衍生企業。

第三、國際企業應用軟體服務廠商,進一步涵蓋數位分身技術領域,為客戶提供更完整之服務,例如Oracle物聯網數位分身(IoT digital twin)、SAP數位分身解決方案、Microsoft Azure Digital Twins及IBM Watson IoT等。

二、數位分身不同層次的應用模式

數位分身是工業4.0數位轉型過程中的重要環節,隨著上述科技的發展成熟,數位分身技術已漸漸被導入到更多元的產業應用。數位分身的價值可以透過以下三種層次展現,提供我國數位經濟發展思考的新切入點。

(一)產品/資產的數位化和管理:運輸業的數位分身

在運輸業的應用上,數位分身已經從最早應用於飛機,到火車、船舶、汽車等,屬於較偏向複雜產品系統(Complex Product Systems, CoPS)。在航空業,Digital Twin首見於2011年美國航空太空總署(NASA)的論文,目的是模擬飛機與太空船的運作狀況,提高任務成功率、合理延長使用壽命,以及減低維修經費。GE是航空界採用數位分身技術的領導廠商,GE定義的Digital Twin,是Predix應用的核心組成部分,做為資產和流程的軟體表徵,用來了解、預測和最佳化效能,以達到營運成果的改善。其主要涵蓋三部分,包括:Data Model(說明數位分身和其特性的架構,即系統、零組件的層級)、Analytics(預測、說明和規劃一項資產或流程的目前和未來行為)、Knowledge Base(數據來源、主題專業知識、歷史資料和產業最佳實務)。因此,數位分身的應用有助於提升可靠度和可及性、降低風險、減少維護成本、改善生產、更快獲取價值。

資料來源:www.ge.com

圖8-1  飛機製造業為數位分身技術的早期採用者

再者法國軌道交通設備製造商阿爾斯通(Alstom)建立數位分身以簡化在英國的火車維修營運管理,Alstom的數位分身包括每輛火車的細節,以及其運作時間表和維修規則,並且透過模擬五大維修站的效能,安排出維修時程與分配最適的維修站點。近期在運輸業的新發展,移動模擬軟體(mobility modeling software)創造真實世界的數位分身,車輛製造業者和交通管理者可以安全地探索自動駕駛車(autonomous vehicle)和聯網汽車(connected vehicle)相關技術的限制,確保可以在真實世界的安全應用。甚至是用數位分身預測無人機(Unmanned Aerial Vehicles, UAV;Drone)狀況,每架無人機都會有個預測性數位分身,隨著無人機的存在而持續進化,以監視無人機的結構是否健全,並協助做出無人機是否有墜毀危險,或應改變計畫路線以降低風險的決策。

(二)個人:消費者的數位分身、真人版的數位分身,甚至是在醫療的應用

在零售和電子商務的應用上,開發複雜的消費者行為模型─消費者的數位分身。從過去購買行為的數據、網路瀏覽習慣和社交媒體活動,已經被許多企業使用作為對特定客戶行銷的應用;未來甚至可以演化為消費者數位分身,透過複雜多屬性的行為模型,以預測未來行為和影響購買決策。舉例來說,當顧客申請開戶並進行消費,樂天就能取得用戶的基本資料與消費紀錄,並在網路上創造一個該用戶的數位分身CDNA(Customer DNA),並利用人工智慧推測用戶需求及推測資訊。

另外,真人版的數位分身已在一些產業應用,包括時尚服務產業、遊戲產業等。在真人版數位分身的打造上,於全方位的攝影棚內,透過上百個不同角度的鏡頭建立3D模型,配合演算法即可打造出「數位版的你」,搭配遊戲引擎與動態捕捉技術,數位版的你即能做出各種表情與動作。時尚產業已經在數位走秀嘗試這項新科技的應用,甚至讓設計師在做出衣服前就能夠看到模擬走秀的情況。在服飾產業的應用主流以虛擬試衣間為主,韓國IT公司FXGear開發全新試穿模擬功能,能讓AR 3D虛擬試穿方案FXMirror更精確地配合衣服和更好的購物體驗。FX Mirror已在訂製型服裝製造試點商店─Within24應用,首次將時尚中心東大門集服裝設計、生產、銷售於一體的產業鏈與尖端資通訊技術(ICT)相結合,可以在品牌設計中融入消費者的喜好進行個性化服裝訂製,提高顧客滿意度。

另在醫療方面的應用上,西門子(Siemens)旗下的西門子醫療(Siemens Healthineers),經營包括醫學影像、醫學診斷、遠距醫療、大眾醫療管理等業務;近期數位分身技術跨入醫療科技的應用機會,開啟新一波醫學革命。AI驅動的數位分身技術,帶動個人器官生理的模擬,最終目標是模擬整個人類身體,以了解病患健康,以及預測改變和治療成效。另外,醫院流程的最佳化是數位分身的創新應用。下階段的目標為:「在對的時間給對的病患正確治療」。換言之,數位分身在醫療業的應用有別於其他產業做法(如工廠布局的既有資訊),大量仰賴個人資料,例如實驗室的診斷和影像。數位分身和醫療照護的數位化,對於擴大精準醫療、改變照護提供、提升病患經驗有一定貢獻與價值。

(三)服務與網絡化:鹿特丹港、安特衛普港、城市的數位分身

鹿特丹港與IBM合作邁向數位轉型,引進IBM IoT技術和雲端平台,發展數位分身、進行水文和天氣預測,使港口船務更順暢。鹿特丹港的目標是在2025年實現「港內航運連網」(Connected Shipping),類似無人駕駛車的概念,讓入港船隻可以自動航行在港內水道,不需領航船和引水人的指揮即能入港,停泊船隻可以彼此連網溝通以避免互撞。為了達到上述目標,鹿特丹進行多項數位轉型計畫。其中一項為建立數位分身為連網航運做準備:港方借助IBM的IoT技術來建立鹿特丹港的數位分身,希望能準確地涵蓋鹿特丹港的所有資料來源,包括港口船隻動態、基礎設施、天氣、地理和水深資料等。數位分身的資料也可用來模擬各種可能的情境,讓相關人員了解如何更有效率地安排船務。因為鹿特丹港每年有十幾萬艘船隻進出,數位分身能讓港務人員同時檢視各方資訊來考慮船隻的停泊,每天可以減少8萬美元維運費用,亦可以讓船隻少等一小時。

同樣地,在比利時的第二大城安特衛普港(Port of Antwerp),以數位分身在虛擬環境呈現整體港口區域,即真實港口的虛擬版本。港口的全部數據儲存在數位分身,並可即時呈現如水位、閘門(Lock)、風力渦輪等資訊。做為虛擬/數位助理−安特衛普港口資訊控制助理(Antwerp Port Information & Control Assistant, APICA),APICA以虛擬3D模型呈現港口,並整合即時資訊,扮演協助決策的功能機制,以找出最有效率的解決方案。值得關注的是,NxtPort作為一個開放的數據平台,透過共創帶動數位供應鏈發展,並且在區塊鏈的環境試驗POC(集裝箱物流的智慧合約平台)以及AR應用。

另外,新加坡近年來以智慧國(smart nation)為國家發展目標,該政策目標下的計畫─「虛擬新加坡」(Virtual Singapore)作為新加坡的3D數位分身,也是全球第一個數位分身城市,建立在地形、即時和動態的數據上,是一套動態的3D城市模型和數據合作平台,包括新加坡的3D地圖。該計畫由新加坡國家研究基金會(National Research Foundation, NRF)、新加坡總理辦公室(Prime Minister's Office, PMO)、新加坡土地管理局(Singapore Land Authority, SLA)、新加坡政府科技局(Government Technology Agency of Singapore, GovTech)共同支持。其中,NRF主導該計畫,由法商達梭系統(Dassault Systèmes)開發該軟體;SLA支持其3D地形圖數據並且作為虛擬新加坡的營運方/擁有者;政府科技局提供在資通訊技術上的專業與計畫管理;其他公部門相關單位也會在「虛擬新加坡」不同階段參與。

該計畫共耗資7,300萬美元、計畫期間五年,在這個動態數位3D平台上,可以一覽所有城市的建築、道路、公共設施與自然環境的數據,提供公部門、企業、政府和研究單位開發相關解決方案,以及運用該模型進行相關模擬,協助在基礎建設、資源管理和城市規劃等的長期決策;換言之,新加坡的數位分身平台,提供都市決策者可以透過在平台上模擬,事前了解不同政策與專案對都市所造成的影響。該虛擬新加坡平台提供四種主要的功能:1.虛擬實驗(virtual experimentation):虛擬新加坡可以用來做為測試或實驗,例如檢視3G/4G網路的覆蓋率,在3D城市模型上呈現實際低覆蓋區域的視覺化,以及需要改善的區域;2.虛擬測試(virtual test-bedding):虛擬新加坡可以使用做為測試平台,以驗證相關服務的提供,如下圖呈現虛擬新加坡可以提供市民確認該區域是否有無人駕駛車輛;3.都市規劃與決策(planning and decision-making):虛擬新加坡是一套具備全面且整合性的平台,可以開發分析性的應用,例如App協助分析交通流量和行人移動路徑;4.研究與開發(research and development):提供研究社群一定的數據使用權,以開發新的技術或能力。

資料來源:https://www.smartnation.sg/。

圖8-2  虛擬新加坡:新加坡的3D數位分身平台

三、小結:數位分身技術對我國數位經濟發展的啟示

最後,本文嘗試以下表彙整數位分身不同層次的應用模式。綜合來看,數位分身的價值可以從幾個構面分析,提供我國數位經濟發展思考的新切入點。

第一、產品/資產的數位化和管理:涉及全產品生命週期,包括從研發工程、製造、服務維修到營運端等,製造商在整個生產過程中建立虛擬原型,減少開發時間和成本、提升效率,甚至可以預測潛在的問題,及時維修或替換重要零件,此為智慧製造/工廠或數位轉型的切入方向。目前我國軟體服務的系統整合商─皮托科技、資策會的智慧農業數位分身皆是偏向此層次的討論。

第二、個人的數位分身,創造新服務提供:從個人醫療健康、運動和員工教育訓練等切入,例如個人器官生理的模擬(數位心臟分身),甚至是今(2020)年與COVID-19防疫創新應用,例如OnSacale發展肺部數位分身,以優化呼吸器設備的使用率與提高病人治療成果;近期的一些個案已進入服務業的相關商業應用、真人版的數位分身(時尚產業、遊戲產業、娛樂健康等),此部分的討論可以創造出新的服務模式。

第三、依託場域的服務與網絡化:在產品/資產的數位分身基礎上,提供附加價值的服務,抑或是透過網絡化,數位分身可以創造的價值包括提供新的選擇、強化決策的能力、在系統故障前執行正確的行動,目前應用的場域在港口(鹿特丹港、安特衛普港),從「港內航運連網」到思考在全球物流鏈的港口連網;甚至是第一個數位分身城市─虛擬新加坡,涉及多元利害關係人的共創。

表8-1  數位分身不同層次的應用模式

層次

領域

參與利害關係人

發展模式

產品/資產的數位化和管理:運輸業的數位分身

複雜產品系統

  • GE成立GE Digital(Predix平台)
  • Data Model(說明數位分身和其特性的架構)、Analytics(預測、說明和規劃一項資產或流程的目前和未來行為)、Knowledge Base(數據來源、主題專業知識、歷史資料和產業最佳實務)
  • 場域:英國火車
  • 法國軌道交通設備製造商阿爾斯通(Alstom)
  • 營運管理者價值:建立數位分身以簡化在英國的火車維修營運管理,Alstom的數位分身包括每輛火車的細節,以及其運作時間表和維修規則,並且透過模擬五大維修站的效能,安排出維修時程與分配最適的維修站點

個人:消費者的數位分身、真人版的數位分身、醫療應用

零售和電子商務

  • 樂天
  • 在網路上創造一個該用戶的數位分身CDNA(Customer DNA),並利用人工智慧推測用戶需求及推測資訊

虛擬試衣間

  • 場域:訂製型服裝製造試點商店Within24,位在東大門
  • 韓國IT公司FXGear
  • FXMirror可立即測量客戶的身體測量結果,並在螢幕上顯示客戶穿上從實際衣服相片所創造的3D衣服之結果
  • Within24應用虛擬試衣系統FX Mirror,在品牌設計中融入消費者的喜好進行個性化服裝訂製,用比原價更低的價格,24小時內就可以完成訂製

智慧醫療

  • 西門子醫療(Siemens Healthineers)
  • AI驅動的數位分身技術,帶動個人器官生理的模擬,最終目標是模擬整個人類身體,以了解病患健康,以及預測改變和治療成效
  • 醫院流程的最佳化是數位分身的創新應用

服務與網絡化:港口/城市的數位分身

鹿特丹港

  • 場域:鹿特丹港
  • IBM:IoT技術和雲端平台
  • 從「港內航運連網」到思考在全球物流鏈的港口連網
  • 數位轉型計畫:建立數位分身為連網航運做準備

新加坡:虛擬新加坡

  • 政府單位:新加坡國家研究基金會(NRF)、新加坡總理辦公室(PMO)、新加坡土地管理局(SLA)、新加坡政府科技局(GovTech)共同支持
  • 軟體公司:法商達梭系統(Dassault Systèmes)
  • 動態的3D城市模型和數位合作平台
  • 四種功能:虛擬實驗、虛擬測試、都市規劃與決策、研究與開發

資料來源:作者整理。

參考文獻

1.余佩儒(2019),探討國際上數位分身(Digital Twin)在不同領域的應用,經濟前瞻,第186期,91~95頁。

2.陳佳滎(工研院)(2020),數位分身技術發展趨勢與COVID-19防疫創新應用案例,https://www.moea.gov.tw/Mns/doit/industrytech/IndustryTech.aspx?menu_id=13545&it_id=309。

3.彭昭(2019),智聯網.新思維:「智慧+」時代的思維大爆發。

4.DHL Trend Research (2019), Digital Twins in Logistics: A DHL perspective on the impact of digital twins on the logistics industry。

5.GE Digital, https://www.ge.com/digital/applications/digital-twinm。

6.Siemens Healthineers (2018), From Digital Twin to Improved Patient Experience, https://www.siemens-healthineers.com/news/mso-digital-twin-mater.html。

7.What is Virtual Singapore? https://www.smartnation.gov.sg/what-is-smart-nation/initiatives/Urban-Living/virtual-singapore。