什么是數(shù)字孿生,？

數(shù)字孿生是在數(shù)字世界中建立與物理實體的性能完全一致，且可對其進行實時仿真的模型,。利用安裝在真實系統(tǒng)上的傳感器數(shù)據(jù)作為該仿真模型的邊界條件,，實現(xiàn)數(shù)字孿生體與物理實體的同步。

圖1所示的數(shù)字孿生三維模型,，可幫助理解數(shù)字孿生的含義,。

數(shù)字孿生是在數(shù)字世界里建立的與物理實體的高度相似實體，物理實體和數(shù)字孿生之間存在同步和閉環(huán)關系,。通過實時感知物理實體的狀況和環(huán)境,，數(shù)字孿生體隨物理實體而演變，保持高度保真性,，同時,，通過在數(shù)字孿生上的仿真、推演和預測分析,，反過來作用于物理實體,。

圖1 數(shù)字孿生的三維模型

數(shù)字孿生和常規(guī)數(shù)值仿真的區(qū)別

數(shù)字孿生的主要功能是對物理實體進行仿真，但數(shù)字孿生和常規(guī)數(shù)值仿真相比,，在內(nèi)涵和支撐技術(shù)方面都有所不同,，主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

1）數(shù)字孿生和常規(guī)數(shù)值仿真相比，具有高保真性（high fidelity）,，體現(xiàn)了數(shù)字孿生中“孿生”的含義,。

2）常規(guī)數(shù)值仿真采用不變或不經(jīng)常變的模型，數(shù)字孿生是“活模型”,，隨物理實體的狀態(tài)及運行環(huán)境變化而同步跟蹤并實時演變（evolutionary model）,。

3）常規(guī)數(shù)值仿真和物理實體之間是開環(huán)關系，而數(shù)字孿生和物理實體構(gòu)成閉環(huán),。一方面,，數(shù)字孿生需要實時感知物理實體并隨實體而演變，另一方面,，在數(shù)字孿生上進行的仿真,、推演、預測結(jié)果,，將反饋給物理實體,，支持物理實體的決策。

4）常規(guī)數(shù)值仿真大多采用機理建模方法構(gòu)建模型，而建立數(shù)字孿生時,，可以采用機理模型建模方法,，更多情況下需要采用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法或數(shù)據(jù)驅(qū)動和機理模型建模相結(jié)合的方法。

5）常規(guī)數(shù)值仿真通常是單物理場,、單時間尺度的,，因數(shù)字孿生需要關注物理實體的全生命周期過程、各方面的特性,，通常需要建立多時間尺度,、多物理場的仿真模型。

6）常規(guī)數(shù)值仿真需要的技術(shù)較為單一,，了解物理實體的物理特性,，并利用計算機實現(xiàn)編程即可。數(shù)字孿生需要先進的傳感技術(shù),，通信技術(shù),，云邊協(xié)同技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸,、儲存,、處理和分析技術(shù)，人工智能技術(shù),，AR,、VR和其他先進的可視化技術(shù)。

數(shù)字孿生的由來

數(shù)字孿生概念可追溯到1970年美國國家航空航天局（NASA）的阿波羅項目,。NASA建設了一套完整的,、高水準的地面半物理仿真系統(tǒng)，用于培訓宇航員和控制人員,，包括模擬多種故障場景的處理,。這一仿真系統(tǒng)包含各式各樣功能的模擬器，由聯(lián)網(wǎng)的多臺計算機控制,。指令艙模擬器用了四臺計算機,，登月艙模擬器用了三臺計算機。在模擬培訓中,，唯一真實的東西是乘員,、座艙和任務控制臺，其他所有的一切,，都是由很多計算機,、許多的公式以及經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員仿真而創(chuàng)造出來的。

圖2 1970年 阿波羅13號登月艙飛行員參加模擬訓練（圖片來自NASA）

圖3 前部的是登月艙模擬器,，后部的是指令艙模擬（圖片來自NASA）

2003年,，美國密歇根大學的邁克爾·格里夫斯教授針對設備全生命周期管理,，提出了物理實體的虛擬數(shù)字表達,，并提出了三維模型,，但當時并沒有用數(shù)字孿生這個術(shù)語。

NASA在其特定的工程實踐中,，首先認識到了建設物理孿生的重要性,。隨著計算機、網(wǎng)絡技術(shù)的高速發(fā)展,，特別是軟件技術(shù)與仿真技術(shù)的高度發(fā)展,，使得各種物理孿生對象，從功能上,、行為上完全可以用計算機系統(tǒng)進行仿真替代,，在此基礎上，很自然地提出了數(shù)字孿生概念,。2012年,，NASA在其發(fā)布的技術(shù)路線圖的”Simulation-Based Systems Engineering”部分中，首次提出了數(shù)字孿生（Digital Twins）的概念,。

2015年以來,，西門子，GE等公司將數(shù)字孿生應用到工業(yè)界,，開發(fā)了工業(yè)系統(tǒng),、醫(yī)療系統(tǒng)的數(shù)字孿生。

2017—2019年,，Gartner連續(xù)三年將數(shù)字孿生列入十大戰(zhàn)略性技術(shù),。數(shù)字孿生引起廣泛關注和高度重視，開始在各行各業(yè)獲得應用,。

圖4 數(shù)字孿生的發(fā)展過程

為什么需要數(shù)字孿生,？

建造物理實體的物理孿生代價太大，而且嚴格意義上,，物理實體獨一無二,，無法實現(xiàn)兩個物理實體的完全一致；另一方面,，在物理實體上試錯成本高,，例如，在真實電力系統(tǒng)中做故障試驗風險很大,。運用數(shù)字孿生技術(shù),，可以在不改變原有物理實體的情況下，“克隆”出與之高度相似的數(shù)字實體,，在數(shù)字世界中可以看到物理實體的各種特性,，并且可以在數(shù)字孿生上模擬不同的“假設-分析”（What-if）場景,，并對物理實體進行性能改進，可以提前知道某項決策運用在物理實體上是否可行,，因此,，可大大減少試錯成本。

小結(jié)