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什么是數(shù)字孿生？

“孿生（twin）”的概念起源于1970年美國(guó)國(guó)家航空航天局的“阿波羅計(jì)劃”，創(chuàng)建鏡像系統(tǒng)以監(jiān)視無(wú)法訪問(wèn)的物理空間，即構(gòu)建兩個(gè)相同的航天飛行器，其中一個(gè)發(fā)射到太空?qǐng)?zhí)行任務(wù)，另一個(gè)留在地球上（鏡像系統(tǒng)）用于反映太空中航天器在任務(wù)期間的工作狀態(tài)，從而輔助工程師分析處理太空中出現(xiàn)的緊急事件，例如通過(guò)鏡像系統(tǒng)的仿真，指導(dǎo)宇航員在外太空重建爆炸的氧氣罐。當(dāng)然，這里的兩個(gè)航天器都是真實(shí)存在的物理實(shí)體。

2002年，Grieves教授在美國(guó)密歇根大學(xué)的產(chǎn)品全生命周期管理課程上首次提出關(guān)于數(shù)字孿生（Digital Twin,DT）的設(shè)想，并在隨后的白皮書(shū)中進(jìn)行了闡述：數(shù)字孿生主要包含三部分：物理對(duì)象，虛擬對(duì)象，以及物理對(duì)象與虛擬對(duì)象之間的信息流，2003年，F(xiàn)ramling提出了基于代理的體系結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)產(chǎn)品項(xiàng)都有一個(gè)與之關(guān)聯(lián)的虛擬對(duì)應(yīng)項(xiàng)或代理，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)保證代理與物理對(duì)應(yīng)物的同步，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體與物理孿生體的一一對(duì)應(yīng)（雙射）。

可能比較抽象，簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，數(shù)字孿生就是在一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造一個(gè)數(shù)字版的“克隆體”。

你可能說(shuō)這個(gè)用軟件建模一下不就行了嘛？其實(shí)不然。相比于建模圖形，數(shù)字孿生體最大的特點(diǎn)在于：它是對(duì)實(shí)體對(duì)象（姑且就稱(chēng)為“本體”吧）的動(dòng)態(tài)仿真。也就是說(shuō)，數(shù)字孿生體是會(huì)“動(dòng)”的。

而且，數(shù)字孿生體不是隨便亂“動(dòng)”。它“動(dòng)”的依據(jù)，來(lái)自本體的物理設(shè)計(jì)模型，還有本體上面?zhèn)鞲衅鞣答伒臄?shù)據(jù)，以及本體運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)。

說(shuō)白了，本體的實(shí)時(shí)狀態(tài)，還有外界環(huán)境條件，都會(huì)復(fù)現(xiàn)到“孿生體”身上。

如果需要做系統(tǒng)設(shè)計(jì)改動(dòng)，或者想要知道系統(tǒng)在特殊外部條件下的反應(yīng)，工程師們可以在孿生體上進(jìn)行“實(shí)驗(yàn)”。這樣一來(lái)，既避免了對(duì)本體的影響，也可以提高效率、節(jié)約成本。

“數(shù)字孿生”的結(jié)構(gòu)構(gòu)成

“數(shù)字孿生”強(qiáng)調(diào)虛實(shí)交互，由PE、VE、Ss、DD、CN五維結(jié)構(gòu)構(gòu)成

數(shù)字孿生技術(shù)綜合利用感知、計(jì)算、建模等信息技術(shù)，建立與現(xiàn)實(shí)世界實(shí)時(shí)映射，虛實(shí)交互

的虛擬世界。數(shù)字孿生需要具有五維結(jié)構(gòu)：物理實(shí)體(Physical Entity) 、虛擬實(shí)體(VirtualEntity) 、服務(wù)(Services) 、孿生數(shù)據(jù)(DT Data)和連接(Connection) 。

? 物理實(shí)體：物理實(shí)體是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)，通過(guò)在物理實(shí)體上部署傳感器等基礎(chǔ)設(shè)施，監(jiān)測(cè)其環(huán)境數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)。

? 虛擬實(shí)體：物理實(shí)體的虛擬化數(shù)字鏡像，通過(guò)幾何、物理、行為、規(guī)則等多種模型相互加成以表現(xiàn)物理實(shí)體實(shí)時(shí)狀態(tài)及變化。

? 服務(wù)：集成各類(lèi)信息系統(tǒng)，為物理實(shí)體和虛擬模型提供智能計(jì)算、運(yùn)行和管控服務(wù)。

? 孿生數(shù)據(jù)：是建立虛擬孿生體的核心，包括以上三維度所有信息數(shù)據(jù)，并隨著物理實(shí)體的運(yùn)行實(shí)時(shí)更新，推動(dòng)整體數(shù)字孿生體系運(yùn)轉(zhuǎn)，也是數(shù)字孿生系統(tǒng)的核心驅(qū)動(dòng)。

? 連接：將各維度之間彼此連接，進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)一一映射。

數(shù)字孿生典型特征與概念辨析

數(shù)字孿生是一種“實(shí)踐先行、概念后成”的新興技術(shù)理念，與物聯(lián)網(wǎng)、模型構(gòu)建、仿真分析等成熟技術(shù)有非常強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性和延續(xù)性。數(shù)字孿生具有典型的跨技術(shù)領(lǐng)域、跨系統(tǒng)集成、跨行業(yè)融合的特點(diǎn)，涉及的技術(shù)范疇廣，自概念提出以來(lái)，技術(shù)邊界始終不夠清晰。但是，與既有的數(shù)字化技術(shù)相比，數(shù)字孿生具有四個(gè)典型的技術(shù)特征：

（一）虛實(shí)映射。數(shù)字孿生技術(shù)要求在數(shù)字空間構(gòu)建物理對(duì)象的數(shù)字化表示，現(xiàn)實(shí)世界中的物理對(duì)象和數(shù)字空間中的孿生體能夠?qū)崿F(xiàn)雙向映射、數(shù)據(jù)連接和狀態(tài)交互。

（二）實(shí)時(shí)同步。基于實(shí)時(shí)傳感等多元數(shù)據(jù)的獲取，孿生體可全面、精準(zhǔn)、動(dòng)態(tài)反映物理對(duì)象的狀態(tài)變化，包括外觀、性能、位置、異常等。

（三）共生演進(jìn)。在理想狀態(tài)下，數(shù)字孿生所實(shí)現(xiàn)的映射和同步狀態(tài)應(yīng)覆蓋孿生對(duì)象從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)到報(bào)廢的全生命周期，孿生體應(yīng)隨孿生對(duì)象生命周期進(jìn)程而不斷演進(jìn)更新。

（四）閉環(huán)優(yōu)化。建立孿生體的最終目的，是通過(guò)描述物理實(shí)體內(nèi)在機(jī)理，分析規(guī)律、洞察趨勢(shì)，基于分析與仿真對(duì)物理世界形成優(yōu)化指令或策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體決策優(yōu)化功能的閉環(huán)。

數(shù)字孿生的應(yīng)用

隨著信息技術(shù)發(fā)展，數(shù)字孿生逐漸被應(yīng)用于制造業(yè)、交通、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)的發(fā)展打破了數(shù)據(jù)孤島，把物理世界的數(shù)據(jù)快速傳遞到數(shù)字孿生世界，幫助數(shù)字世界快速優(yōu)化、意見(jiàn)反饋。數(shù)字孿生成為了數(shù)字化浪潮的必然結(jié)果和數(shù)字化的必經(jīng)之路。

數(shù)字孿生強(qiáng)調(diào)通過(guò)管理與現(xiàn)實(shí)世界一一映射、實(shí)時(shí)交互的虛擬世界來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界的高效運(yùn)行。越復(fù)雜的系統(tǒng)越適合使用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行管理，可通過(guò)虛擬孿生體快速高效反映物理實(shí)體實(shí)時(shí)狀態(tài)，監(jiān)測(cè)其運(yùn)行情況，精準(zhǔn)管控，節(jié)省成本；同時(shí)通過(guò)虛擬孿生體進(jìn)行決策預(yù)演，模擬規(guī)劃等，幫助決策順利執(zhí)行。

智慧城市

越復(fù)雜的系統(tǒng)建立數(shù)字孿生體后管理效率提升越高，收益越大，而城市就是最為復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)，隨著城市規(guī)模的擴(kuò)張和發(fā)展，城市運(yùn)行之中會(huì)遇到交通堵塞、公共服務(wù)短缺、環(huán)境約束等一系列問(wèn)題。建立一個(gè)與物理城市并行的孿生虛擬城市，將城市建設(shè)規(guī)劃、管理運(yùn)行等在虛擬世界進(jìn)行仿生，會(huì)大大提升城市效率，減少資源損失。數(shù)字孿生城市應(yīng)運(yùn)而生。

數(shù)字孿生城市可以廣泛理解為通過(guò)對(duì)物理世界的人、物、事等所有要素?cái)?shù)字化，在網(wǎng)絡(luò)空間再造一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的“虛擬世界”，形成物理維度的實(shí)體世界和信息維度上的數(shù)字世界同生共存、虛實(shí)交融的格局，實(shí)現(xiàn)城市全要素?cái)?shù)字化和虛擬化、城市全狀態(tài)實(shí)時(shí)化和可視化、城市管理決策協(xié)同化和智能化。

智能制造

工業(yè)設(shè)備構(gòu)建的數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)用可以貫穿工業(yè)設(shè)備的整個(gè)生命周期，解決工業(yè)設(shè)備在設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)、報(bào)廢、營(yíng)銷(xiāo)階段的問(wèn)題，從而提升設(shè)備從設(shè)計(jì)到報(bào)廢過(guò)程的智能化水平。

以制造階段舉例：

工業(yè)設(shè)備制造階段，制造過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化往往無(wú)法在決策模型中實(shí)時(shí)反映，造成產(chǎn)品質(zhì)量保證和交期的憂(yōu)慮。主要原因在于生產(chǎn)環(huán)節(jié)復(fù)雜造成質(zhì)量保證困難，且生產(chǎn)狀況、設(shè)備的生產(chǎn)、排產(chǎn)信息并未全面掌控，缺乏智能性，可信賴(lài)度低。數(shù)字拳生系統(tǒng)可以助力工業(yè)設(shè)備的智能化制造。如，通過(guò)構(gòu)建設(shè)備生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字拳生模型，對(duì)生產(chǎn)、檢測(cè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)管，全面掌控生產(chǎn)需求、生產(chǎn)狀況等，解決質(zhì)量監(jiān)管難覆蓋問(wèn)題，以提升產(chǎn)品質(zhì)量保證；利用數(shù)字拳生系統(tǒng)為排產(chǎn)系統(tǒng)提供及時(shí)、客觀的排產(chǎn)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)智能排產(chǎn)提升排產(chǎn)的可信性。

智慧網(wǎng)絡(luò)

數(shù)字孿生經(jīng)歷了一段時(shí)間的平穩(wěn)發(fā)展，直到 5G 技術(shù)的出現(xiàn)，數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展才正式進(jìn)入快車(chē)道，本質(zhì)原因是數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)依賴(lài)通信技術(shù)的高效支撐。數(shù)字孿生與網(wǎng)絡(luò)發(fā)展相輔相成，當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生發(fā)展還處于探索階段，基于數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理智能化，同時(shí)輔助管理者挖掘網(wǎng)絡(luò)潛在能力。GSMA（全球移動(dòng)通信系統(tǒng)協(xié)會(huì)）專(zhuān)家提出，5G 物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的數(shù)字孿生將大幅提升各行業(yè)數(shù)字化進(jìn)程，隨著 5G 時(shí)代到來(lái)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)字孿生技術(shù)可以為以下示例性列舉的一些場(chǎng)景提供支持：

1）5G 網(wǎng)絡(luò)目前的可用性有限，研究人員和開(kāi)發(fā)者要想實(shí)際訪問(wèn) 5G 網(wǎng)絡(luò)非常困難，而且成本極高。許多行業(yè)都想探索 5G 的商業(yè)潛力，因此也需要一個(gè)靈活、低成本、高效率的研究場(chǎng)地。

2）網(wǎng)絡(luò)安全性方面的風(fēng)險(xiǎn)也正在日益提高，這意味著如果我們想要以前瞻方式研究風(fēng)險(xiǎn)，就需要具備一個(gè)有代表性的沙盤(pán)。

3）通信服務(wù)商也需要一系列的環(huán)境，對(duì)復(fù)雜的 5G 網(wǎng)絡(luò)所應(yīng)具備的行為和性能進(jìn)行連續(xù)的驗(yàn)證和優(yōu)化。5G 網(wǎng)絡(luò)數(shù)字孿生是一種仿真出來(lái)的物理網(wǎng)絡(luò)端對(duì)端軟件復(fù)本，兩者以平行方式運(yùn)行，從而可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的評(píng)估、預(yù)測(cè)和建議，以高效的、前瞻方式為實(shí)際運(yùn)行的網(wǎng)絡(luò)及其相關(guān)服務(wù)提供建模、驗(yàn)證和保障。

除了上述領(lǐng)域之外，包括醫(yī)療、物流、環(huán)保、基建等很多場(chǎng)景都適合采用數(shù)字孿生技術(shù)，應(yīng)用場(chǎng)景非常廣闊。

現(xiàn)階段，數(shù)字孿生在航空航天、智能制造、智慧城市等領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)成熟，在健康醫(yī)療、農(nóng)業(yè)發(fā)展等領(lǐng)域還處于發(fā)展階段。各國(guó)家、企業(yè)、組織等都對(duì)數(shù)字孿生給予了高度重視：數(shù)字孿生正成為國(guó)家數(shù)字化轉(zhuǎn)型的新抓手、跨國(guó)企業(yè)業(yè)務(wù)布局的新方向、全球信息技術(shù)發(fā)展的新焦點(diǎn)。

但同時(shí)我們也注意到，數(shù)字孿生作為一項(xiàng)新興技術(shù)理念，尚處于發(fā)展初期，仍存在許多短板問(wèn)題亟待破解。

1、實(shí)施成本高企

數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)現(xiàn)涉及到企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、供應(yīng)鏈、管理等系統(tǒng)的改造，投資大、沉沒(méi)成本高。受限于此，目前數(shù)字孿生往往僅能成為大企業(yè)“錦上添花”的高端技術(shù)應(yīng)用，而難以成為廣大小企業(yè)“雪中送炭”的普適技術(shù)應(yīng)用。

2、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)薄弱

數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)、分工細(xì)致、碎片化程度高，跨領(lǐng)域之間的技術(shù)融合性較差、資源整合難，存在 IT 企業(yè)不懂行業(yè)機(jī)理、OT 企業(yè)難以報(bào)團(tuán)的突出痛點(diǎn)，亟需產(chǎn)業(yè)整合者的出現(xiàn)。

3、商業(yè)模式不成熟

不同垂直行業(yè)對(duì)數(shù)字孿生的需求差異大，垂直行業(yè)內(nèi)需求“長(zhǎng)尾效應(yīng)”顯著，解決方案的可復(fù)制性不強(qiáng)，導(dǎo)致數(shù)字孿生應(yīng)用多以項(xiàng)目交付型為主，平臺(tái)化、模塊化程度較低，不利于高效推廣。

4、技術(shù)短板凸顯

在機(jī)理建模、仿真分析、數(shù)據(jù)集成等方面的技術(shù)短板制約了數(shù)字孿生技術(shù)整體的應(yīng)用深度，同時(shí)部分核心技術(shù)被國(guó)外龍頭企業(yè)壟斷，有潛在風(fēng)險(xiǎn)。

相對(duì)來(lái)說(shuō)，潛心研究、客觀評(píng)估、謹(jǐn)慎投入，才是打開(kāi)數(shù)字孿生世界的正確姿勢(shì)。

參考文獻(xiàn)：

1、《數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用白皮書(shū)》，中國(guó)移動(dòng)

2、《2021中國(guó)數(shù)字孿生城市研究報(bào)告》，億歐智庫(kù)

3、《工業(yè)設(shè)備數(shù)字孿生白皮書(shū)》，國(guó)家工業(yè)信息安全發(fā)展研究中心

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