數位孿生 (Digital Twins) 與測試工程 - 如何推動未來測試技術
數位孿生 (Digital Twins) 的崛起
數位孿生技術的概念可以追溯到 1991 年，當時耶魯大學的 David Gelernter 在其著作《鏡像世界》（Mirror Worlds）中首次提出這一技術的基本概念，他在書中描述了一種能夠在數位環境中映射現實世界的模型，為未來的數位孿生技術奠定了理論基礎；此後，該概念逐步發展，並在 2002 年時由密西根大學的 Michael Grieves 博士於產品生命週期管理（PLM, Product Lifecycle Management）會議上正式提出，將數位孿生與產品開發、管理結合。
2010 年，美國國家航空暨太空總署（NASA）的 John Vickers 在《NASA Roadmap》中首次使用“數位孿生”（Digital Twin）一詞，以描述透過感應器與網路技術，在數位環境中即時映射物理環境狀態的概念；這項技術在 NASA 的應用，尤其是在航太任務中的遠端監測與故障預測，顯示出其在高精密度工程領域的價值。
到了 2018 年，數位孿生技術不僅限於製造業，更開始拓展至基礎設施、城市發展及醫療保健等領域，Gartner 在其 Hype Cycle for Emerging Technologies 報告中指出，數位孿生已經成為智慧城市技術與解決方案的重要組成部分，並預測這一技術將在未來幾年內進一步成熟；根據 IBM 於 2020 年的定義，數位孿生是一種跨越物件、或系統生命週期的虛擬表示法，透過即時資料更新，並運用模擬、機器學習與推理技術來輔助決策。
此外，歐洲太空總署（ESA）在 2020 年至 2022 年間提出了一系列數位孿生相關計畫，例如，Loekken、Le Saux & Aparicio-ESA 提出了一種能夠整合衛星、現場量測、物聯網與社會經濟資料的互動式地球數位孿生模型，以支援氣候變遷預測與人工智慧應用；此外，Bauer-ESA 提出了將地球數位孿生作為資訊系統，讓使用者能夠觀察地球系統的變化，並結合可用的觀測資料與物理法則來預測未來發展。
2021 年，ECMWF-DestE 進一步推動數位孿生技術應用於氣候與天氣預測，提供高品質的資訊、服務、模型與模擬場景，並支援颶風演化預測與高效能氣候模擬；2022 年，ESA 宣布啟動 Destination Earth 計畫，透過整合地球觀測資料、現場測量與人工智慧，打造高度精確的地球數位孿生模型，以提供全球環境變遷的過去、現在與未來狀態。
根據 Gartner 的報告，數位孿生技術已被認為是未來十年內最具顛覆性的技術之一，並廣泛應用於製造業、醫療、汽車、航空航太等領域；NASA 早期應用此技術來模擬太空艙運行狀況，以幫助預測和解決潛在問題，如今，許多企業和研究機構都在積極開發並優化數位孿生應用，以提升生產效率、減少維護成本，並強化產品可靠性。
什麼是數位孿生 (Digital Twins) ？
數位孿生是一個實體對象的虛擬複製品，這個對象可以是產品、系統，甚至是流程；透過即時資料的持續更新，數位孿生能夠反映當前狀態、回應變化，並預測未來情況；透過物聯網感測器、機器學習、和人工智慧，數位孿生為工程師提供了一個完整且動態的模型，讓他們能夠模擬與互動；對於測試工程來說，這表示開發人員可以在虛擬環境中進行產品測試，降低實體測試的時間和成本，提高準確性與測試效率。
數位孿生技術的運作可分為四個主要階段，這些階段組成了數位孿生的持續改進循環（Digital Twin Process Improvement Cycles）：
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設計（Designing）：建立數位孿生模型，確保其與物理系統的規格一致。
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監測（Monitoring）：透過即時資料監控數位孿生與實體系統之間的互動，確保其運作有效。
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診斷（Diagnosing）：分析數位孿生中的錯誤或異常，識別問題來源。
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優化（Optimizing）：根據診斷結果更新數位孿生，使其更接近目標狀態。
這些過程的互動形成了一個閉環反饋系統，使數位孿生能夠持續改進、優化產品開發與測試流程，提高產品品質與可靠性。
數位孿生 (Digital Twins) 與測試工程的結合
測試工程是產品開發中的關鍵階段，涉及嚴格的驗證與確認，以確保產品符合規格，並且無缺陷，將數位孿生 (Digital Twins) 技術整合進測試工程帶來多項優勢，例如：提高準確性與效率，工程師能夠透過虛擬測試降低開發成本，減少對於物理原型的需求；即時監控與反饋的特性，使得數位孿生 (Digital Twins) 能夠快速提供測試結果，特別適用於醫療設備和製造業等精密產業；此外，數位孿生 (Digital Twins) 技術還能預測設備可能發生的故障，使得工程師能夠提前進行預測性維護，提高產品可靠性並延長其使用壽命。
透過數位孿生 (Digital Twins) 技術，工程團隊的協作也變得更加緊密，不同專業領域的工程師、設計師與分析師能夠共用同一個虛擬模型，提供即時的反饋與建議，增強團隊合作，確保產品設計與測試過程更加順暢；此外，數位孿生 (Digital Twins) 的靈活性使其能夠適應不同的測試需求，無論是單一零件還是完整的生產線，都可以透過模擬來驗證各種情境，對於大規模生產的工業環境而言是一大優勢。
數位孿生 (Digital Twins) 在不同產業的應用
數位孿生技術已成為現代製造業轉型的重要推動力，徹底改變了產品設計、開發、測試及維護方式；在 製造業，數位孿生使得企業能夠建立產品的虛擬模型，透過即時資料與模擬技術，優化生產流程並提高運營效率；工程師能夠透過數位孿生來模擬零件與成品的物理特性，確保產品符合設計要求，甚至在實體生產前就能進行修正，減少錯誤與成本。
在 航空航太與汽車產業，數位孿生被用來監測飛機與汽車的健康狀態，透過感測器與人工智慧分析設備資料，預測可能的故障與維護需求。航空製造商可透過數位孿生模擬飛機的氣動性能、燃油效率以及結構強度，從而優化設計，提高安全性與可靠性。
在 醫療設備產業，數位孿生技術正被用於個人化醫療與精準醫學，透過模擬人體的反應來評估植入式裝置的適應性與安全性；例如，醫療研究機構使用數位孿生來模擬心血管手術的影響，協助醫師制定最佳治療方案，降低臨床試驗的風險與成本。
此外，在 半導體產業，數位孿生的應用能夠大幅提升製程效率與產品良率；半導體製造商利用數位孿生來模擬晶片製造過程，確保每一層電路的精確度，並透過 AI 預測潛在的製造缺陷，使得整體生產流程更加精準且穩定。
數位孿生技術的成功應用背後，離不開物聯網（IoT）、雲端運算（Cloud Computing）、人工智慧（AI）與擴增實境（XR） 等前沿技術的支撐，物聯網感測器為數位孿生提供了大量即時資料，雲端運算則確保這些資料能夠被安全地儲存與處理；人工智慧透過機器學習與深度學習模型，幫助分析資料，預測可能的異常情況，而擴增實境技術則讓工程師能夠以更直觀的方式與數位孿生進行互動。
未來，隨著技術的不斷演進，數位孿生將進一步拓展至更廣泛的領域，包括 智慧城市、能源管理、農業、採礦與軍事應用，這些發展將進一步提升數位孿生的價值，使其成為推動全球數位轉型的核心技術之一。
數位孿生與測試工程的未來發展及挑戰
數位孿生技術仍在不斷發展，未來將與人工智慧（AI）、雲端運算（Cloud Computing）和邊緣運算（Edge Computing）進一步整合，以提供更精確的模擬能力，這些技術的結合將提升數位孿生的運算效能，縮短即時資料處理的時間，並讓企業能夠更快速地做出決策。
數位孿生的挑戰與限制
儘管數位孿生技術帶來諸多優勢，但其發展仍面臨數個關鍵挑戰：
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資料標準化與管理問題：各產業尚未建立統一的資料交換與整合標準，使得不同系統之間的資料共享與相容性成為技術障礙；此外，資料來源的多樣性導致資料品質參差不齊，進一步影響數位孿生的準確性與可靠性。
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資料安全與隱私風險：由於數位孿生依賴大量即時資料，這些資料涉及機密性資訊，例如：製造流程、設備運作狀態甚至個人健康資料；如何確保資料在傳輸與儲存過程中的安全性，並符合各地的資料保護法規（如 GDPR），是企業在導入數位孿生時必須考量的重要因素。
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高昂的初始投資與運行成本：企業需要大量投資於感測器技術、軟體開發、基礎設施建置與維護，這對於中小型企業而言可能形成資金壓力；此外，數位孿生的計算需求極高，特別是在進行高精度模擬時，需要依賴強大的雲端運算與人工智慧分析能力，進而增加了營運成本。
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技術整合與系統相容性：現有的工業與 IT 架構往往使用不同的技術與協定，這使得數位孿生與傳統系統的整合變得複雜；此外，某些企業的設備仍然使用過時的 IT 基礎設施，使得資料收集與處理效率受到限制。
然而，隨著技術的進步，這些挑戰正在逐步被克服，許多雲端運算公司已推出基於雲端的數位孿生解決方案，以降低企業導入的技術門檻，已幫助製造業更有效地管理其供應鏈運營；未來，隨著技術的不斷發展，數位孿生將繼續革新測試工程，提供更高效、更精確的產品測試與品質管理模式。
Averna 測試平台與數位孿生的整合
由 奧創系統科技 所代理的 Averna 測試解決方案，是測試工程領域的最佳選擇，Averna 作為測試工程解決方案的領導者，提供多種產品與測試平台，結合數位孿生 (Digital Twins) 技術，以提升測試準確性與效率；其中，UniLine 通用線上測試平台，能夠進行功能測試、電路內測試（ICT）與終端測試（EOL），並依據實際產線需求進行客製化測試應用，符合各種產業的測試需求；此外，UniLine 具備高度可擴充性，與自動化設備整合，適用於大量生產環境，確保產品測試的準確性與一致性；透過 AI 驅動的數據分析，UniLine 能夠即時提供測試結果，並優化測試流程，提升生產效率，同時降低測試成本與錯誤率。
Averna主動對準組裝與測試平台（Active Alignment Assembly & Test Platform），專為光學模組與感測器製造而設計，透過六自由度（6 DOF）主動對準技術，能夠在次微米（Submicron）級精度範圍內完成光學元件的裝配與驗證，該平台整合膠水施用、UV 固化、表面清潔及即時光學測試功能，確保高效自動化生產流程；適用於汽車 ADAS 系統、醫療影像設備及消費電子產品的相機模組與光學感測器製造，並支援晶片功能測試、焦點與畸變測試，以及光學性能評估（如 MTF 測試）。此外，該平台提供入門級（Entry-Level）、隨需求擴充（Grow-as-you-Go）與全自動量產（Full Production）三種版本，滿足不同生產規模的需求，確保投資回報最大化。
Averna 亦提供 NTS 工業無損檢測與量測平台，該系統結合多通道傳感器技術，實現非接觸式精確檢測，快速發現機械、電氣或熱故障，縮短測試時間並降低成本。其靈活架構支援自動化資料處理，易於整合至現有生產線，適用於空調、泵浦等產品的量產檢測，滿足工業 4.0 要求，內建預測性維護功能，助力製造商提升品質管理與生產效益。
為了進一步提升測試流程的數位化與自動化，Averna 亦提供了 Proligent 測試與品質管理平台，Proligent 提供即時資料監測、測試結果分析與製造流程最佳化，使企業能夠全面掌握生產與測試資料，提升測試效率，減少缺陷率，並確保產品符合最高品質標準。
結論
近年來，數位孿生（Digital Twin）技術受到了產業界與學術界的廣泛關注，由於該術語在不同學科內的應用側重點不同；數位孿生的概念可描述為物理機器與虛擬機器之間的雙向無縫資料整合，數位孿生技術最早應用於航太領域，美國國家航空暨太空總署（NASA）曾在阿波羅 13 號（Apollo 13）月球探索任務及好奇號（Curiosity）火星探測器中使用該技術，而今數位孿生技術的應用範圍與影響力持續擴大，使其成為各產業內快速成長的解決方案之一。
數位孿生技術同時正在徹底改變測試工程，提供更高的準確性、即時監控、預測性維護與更佳的協作能力，透過與 Averna 測試平台的結合，工程師能夠更精確地執行測試，提高產品品質，降低開發成本，推動未來科技創新；無論是汽車、航空航太、醫療設備、或半導體產業，數位孿生 (Digital Twins) 技術與測試工程的整合將成為未來發展的關鍵，企業必須為這場技術變革做好準備，以保持競爭優勢。
未來，隨著各行業對自動化需求的日益增長，數位孿生平台的需求預計將顯著上升，成為數位轉型的重要推動力，在全球從新冠疫情（COVID-19）中復甦的過程中，數位孿生解決方案將在不同產業中發揮越來越重要的作用，數位孿生技術帶來的好處極為廣泛，然而目前仍有許多未被充分探索的應用領域；儘管在資料品質與安全、電力與儲存需求、以及與現有基礎設施整合方面仍然面臨挑戰，數位孿生技術仍在蓬勃發展，致力於推動高度先進的數位革命，為人類創造更智慧、更便捷的未來。
參考資料來源
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Digital Twins and Test Engineering - Averna
[https://insight.averna.com/en/resources/blog/digital-twins-and-test-engineering] -
NASA Technical Reports Server (NTRS) - Digital Twin in Aerospace
[https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20220015961/downloads/2022-10-26_ESDT-Workshop_JLM-Intro.pdf] -
ScienceDirect - Digital Twins for Smart Manufacturing
[https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S277266222300005X] -
Gartner - Prepare for the Impact of Digital Twins
[https://www.gartner.com/smarterwithgartner/prepare-for-the-impact-of-digital-twins]