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数字孪生

5个月前 (12-06)行业资讯

（本文从十个方面，系统的梳理了数字孪生）

科幻电影《钢铁侠》中由男主角托尼·斯塔克亲手打造的钢铁战甲，其内置的智能管家系统“贾维斯”(J.A.R.V.I.S.)，它通过钢铁战甲上的各种传感器，与战甲进行实时通信和双向交互，实时掌握战甲的运行状态，操控战甲的飞行系统和武器系统。不仅如此，贾维斯还能将现实中的物理实体进行数字化处理，并且在虚拟世界中生成一个一模一样的数字“双胞胎”将现实带进虚拟还能通过通过操控虚拟对象反向控制物理实体。而这就是一直在我们身边数字孪生。

如果觉得电影还很遥远，那么现实中的例子。比如NIKE在马尼拉有了一个别具一格的200米的LED跑道，这是一个可以挑战自我的跑道。你换上Nike的跑鞋，每一双鞋上都有传感器，利用超级精确的射频识别技术可以追踪每个人的运动。在你跑第一圈的时候，速度信息都被记录下来。当你跑第二圈时，LED屏幕上就会出现你的图像，并且以你第一圈的速度奔跑。这就是用现实来控制虚拟。其实更多的场景已经无声的融入到我们日常生活中

数字孪生，Digital Twin(数字双胞胎)，也被称为数字映射、数字镜像或数字克隆体。它存在于与现实世界相映射的数字空间里，具有全生命周期属性的动态克隆体，通过导入历史和实时数据以及算法模型，在数字世界操作、验证、自我迭代，可反向实时驱动现实世界，甚至能提供先知感应的超体。目前研究和应用在产业和学术界还处于起步阶段。

（图片来源于网络）

一、数字孪生起源（超越现实的概念）

“孪生”的概念最早起源于美国国家航空航天局的“阿波罗计划”；2003年前后，关于数字孪生（Digital Twin）的设想首次出现于美国密歇根大学的产品全生命周期管理课程上；直到2010年，“Digital Twin”一词在NASA的技术报告中被正式提出；2012年，美国国家航空航天局与美国空军联合发表了关于数字孪生的论文，重点应用于未来飞行器发展。

近年来, 随着多学科建模与仿真技术的飞速发展, 数字孪生技术研究成为热点，得益于物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的发展，数字孪生在虚拟样机、数字孪生车间、数字孪生工业、数字孪生卫星、智慧能源、智慧工厂、交通、医疗健康等诸多领域得到成功运用。

面向未来网络发展, 伴随着云计算、大数据、人工智能等技术的不断发展以及信息的泛在化, 数字孪生技术也将更广泛地运用于人体活动监控与管理、家居生活和科学研究等领域, 使得整个社会走向虚拟与现实结合的 “数字孪生” 世界。

二、什么是数字孪生

学术界和产业界有不同的定义，通俗地可以理解为：以数字化的方式建立物理实体的虚拟模型，物理世界数字化，借助历史数据、实时数据和算法模型，实现对物理实体的分析预测和改善优化，具有实时性和闭环性。数字孪生将割裂的虚拟世界与现实世界融合，是前沿科技下一个代际的发展主题。

构建一个物理实体的数字孪生体需要4个关键要素: 模型、数据、监控和唯一性 。提出了数字孪生的五维模型 {PE, VE, Ss, DD, CN}, 其中, PE表示物理实体, VE表示虚拟实体, Ss表示服务, DD表示孪生数据, CN表示各部分之间的连接。国际标准化组织(International Organization for Standardization, ISO)发布了面向制造的数字孪生系统框架标准草案, 提出包含数据采集域、设备控制域、数字孪生域和用户域的参考框架, 该草案即将成为数字孪生领域第一个国际标准。

数字孪生网络业界尚无统一的定义,我们可以将 “数字孪生网络” 定义为: 一个具有物理网络实体及虚拟孪生体, 且二者可进行实时交互映射的网络系统 。在此系统中, 各种网络管理和应用可利用数字孪生技术构建的虚拟孪生体, 基于数据和模型对物理实体进行高效的分析、诊断、仿真和控制。基于此定义, 数字孪生应当具备4个核心要素: 数据、模型、映射和交互。

1.数据 数据是构建数字孪生可视化的基石, 通过构建统一的数据共享仓库作为数字孪生网络的单一事实源, 高效存储物理网络的配置、拓扑、状态、日志、用户业务等历史和实时数据, 为数字孪生提供数据支撑。

2.模型 数字孪生中的模型既包含了对应已知物理对象的机理模型，也包含了大量的数据驱动模型。其中，“动态”是模型的关键，动态意味着这些模型需要具备自我学习、自主调整的能力。

3.映射 在数字虚体空间中创建的虚拟事物，与物理实体空间中的现实事物形成了在形、态、质地、行为和发展规律上都极为相似的虚实精确映射关系，让物理孪生体与数字孪生体具有了多元化映射关系，具备了不同的保真度（逼真、抽象等）特征。

4.交互 交互是达成虚实同步的关键, 数字孪生通过标准化接口连接网络服务应用和物理实体系统 , 完成对于物理网络的实时信息采集和控制, 并提供及时诊断和分析。

基于四要素构建的网络孪生体可借助优化算法、管理方法、专家知识等对物理网络进行全生命周期的分析、诊断、仿真和控制, 实现物理网络与孪生网络的实时交互映射, 帮助网络以更低成本、更高效率、更小的现网影响部署各种网络应用, 助力网络实现极简化和智慧化运维。

三、数字孪生几个典型特点

1.互操作性 数字孪生中的物理对象和数字空间能够双向映射、动态交互和实时连接，因此数字孪生具备以多样的数字模型映射物理实体的能力，具有能够在不同数字模型之间转换、合并和建立“表达”的等同性。

2.可扩展性 数字孪生技术具备集成、添加和替换数字模型的能力，能够针对多尺度、多物理、多层级的模型内容进行扩展。

3.实时性 数字孪生技术要求数字化，即以一种计算机可识别和处理的方式管理数据以对随时间轴变化的物理实体进行表征。表征的对象包括外观、状态、属性、内在机理，形成物理实体实时状态的数字虚体映射。

4.高保真性 数字孪生的保真性指描述数字虚体模型和物理实体的接近性。要求虚体和实体不仅要保持几何结构的高度仿真，在状态、相态和时态上也要仿真。值得一提的是在不同的数字孪生场景下，同一数字虚体的仿真程度可能不同。例如工况场景中可能只要求描述虚体的物理性质，并不需要关注化学结构细节。

5.闭环性 数字孪生中的数字虚体，用于描述物理实体的可视化模型和内在机理，以便于对物理实体的状态数据进行监视、分析推理、优化工艺参数和运行参数，实现决策功能，即赋予数字虚体和物理实体一个大脑。因此数字孪生具有闭环性。

四、数字孪生关键技术

一个数字孪生系统，按照其所能实现的功能来分，大致可分为4个发展阶段：

1.数化仿真阶段 在这个阶段，数字孪生要对物理空间进行精准的数字化复现，并通过物联网实现物理空间与数字空间之间的虚实互动。这一阶段，数据的传递并不一定需要完全实时，数据可在较短的周期内进行局部汇集和周期性传递，物理世界对数字世界的数据输入以及数字世界对物理世界的能动改造基本依赖于物联网硬件设备。主要涉及数字孪生的物理层、数据层和模型层（尤其是机理模型的构建），最核心的技术是建模技术及物联网感知技术。通过3D测绘、几何建模、流程建模等建模技术，完成物理对象的数字化，构建出相应的机理模型，并通过物联网感知接入技术使物理对象可被计算机感知、识别。

2.分析诊断阶段 在这个阶段，数据的传递需要达到实时同步的程度。将数据驱动模型融入物理世界的精准仿真数字模型中，对物理空间进行全周期的动态监控，根据实际业务需求，逐步建立业务知识图谱，构建各类可复用的功能模块，对所涉数据进行分析、理解，并对已发生或即将发生的问题做出诊断、预警及调整，实现对物理世界的状态跟踪、分析和问题诊断等功能。这一阶段的重点在于结合使用机理模型及数据分析型的数据驱动模型，核心技术除了物联网相关技术外，主要会运用到统计计算、大数据分析、知识图谱、计算机视觉等相关技术。

3.学习预测阶段 实现了学习预测功能的数字孪生能通过将感知数据的分析结果与动态行业词典相结合进行自我学习更新，并根据已知的物理对象运行模式，在数字空间中预测、模拟并调试潜在未发觉的及未来可能出现的物理对象的新运行模式。在建立对未来发展的预测之后，数字孪生将预测内容以人类可以理解、感知的方式呈现于数字空间中。这一阶段的核心是由多个复杂的数据驱动模型构成的、具有主动学习功能的半自主型功能模块，这需要数字孪生做到类人一般灵活地感知并理解物理世界，而后根据理解学习到的已知知识，推理获取未知知识。所涉及的核心技术集中于机器学习、自然语言处理、计算机视觉、人机交互等领域。

4.决策自治阶段 到达这一阶段的数字孪生基本可以称为是一个成熟的数字孪生体系。拥有不同功及发展方向但遵循共同设计规则的功能模块构成了一个个面向不同层级的业务应用能力，这些能力与一些相对复杂、独立的功能模块在数字空间中实现了交互沟通并共享智能结果。而其中，具有“中枢神经”处理功能的模块则通过对各类智能推理结果的进一步归集、梳理与分析，实现对物理世界复杂状态的预判，并自发地提出决策性建议和预见性改造，并根据实际情况不断调整和完善自身体系。在这一过程中，数据类型愈发复杂多样且逐渐接近物理世界的核心，同时必然会产生大量跨系统的异地数据交换甚至涉及数字交易。因此，这一阶段的核心技术除了大数据、机器学习等人工智能技术外，必然还包括云计算、区块链及高级别隐私保护等技术领域。

（图片来源于网络）

数字孪生是跨越其生命周期的对象或系统的虚拟表示，从实时数据更新，到使用仿真、机器学习和推理来帮助决策。

五、数字孪生技术历史

1991年，耶鲁大学计算机科学教授DavidGelernter首次提出了数字孪生的概念。然而，密歇根大学MichaelGrieves博士被认为是2002年首次将数字孪生概念应用于制造业，并正式宣布了数字孪生的软件概念。最终，美国国家航空航天局的技术专家JohnVickers在2010年引入了数字孪生这个术语。

然而，使用数字孪生作为研究物理对象的手段的核心思想早已有之。事实上，可以说美国国家航空航天局在上世纪60年代的太空探索任务中率先使用了数字孪生技术，每个航天器在当时都被精确复制成相同的模型，供美国国家航空航天局工作人员用于研究和模拟。

（图片来源于网络）

六、数字孪生工作原理

数字孪生是一种虚拟模型，旨在准确反映物理对象。研究对象（例如风力涡轮机）配备了与重要功能领域相关的各种传感器。这些传感器产生有关物理对象性能不同方面的数据（例如能量输出、温度、天气条件等），然后将该数据转发到处理系统并应用于数字副本。
一旦获得此类数据，虚拟模型可用于运行模拟、研究性能问题并带来可能的改进，所有这些都是为了产生有价值的见解，然后可以将其应用回原始物理对象。

七、数字孪生类型

根据产品放大倍数的不同，有多种类型的数字孪生。这对数字孪生最大的区别在于应用领域。不同类型的数字孪生在系统或流程中共存是很常见的。以下通过数字孪生的类型来了解差异以及它们的应用方式。

1.组件孪生/零件孪生 组件孪生是数字孪生的基本单元，是功能组件的最小示例。零件孪生也大致相同，但属于不太重要的组件。

2.资产孪生 当两个或多个组件一起工作时，它们就形成了所谓的资产。资产孪生让企业可以研究这些组件的交互，创建大量可以处理的性能数据，然后转化为可操作的步骤。

3.系统孪生或单元孪生 下一级别的放大将涉及系统孪生或单元孪生，这使人们能够看到不同的资产如何组合在一起形成一个完整的功能系统。系统孪生提供有关资产交互的可见性，并可能建议性能增强。

4.过程孪生 过程孪生（放大的宏观层面）揭示了系统如何协同工作以创建整个生产设施。这些系统是否都同步以最高效率运行，或者一个系统的延迟会影响其他系统？流程孪生可以帮助确定最终影响整体效率的精确时序方案。

八、数字孪生优点

1.更好地研发 使用数字孪生可以更有效地研究和设计产品，并创建大量关于性能结果的数据。这些信息可以帮助企业在开始生产前对产品进行必要的改进。

2.更高的效率 即使在新产品投入生产之后，数字孪生也可以帮助镜像和监控生产系统，着眼于在整个制造过程中实现和保持最高效率。

3.处理工作寿命结束的产品 数字孪生甚至可以帮助制造商决定如何处理工作寿命结束的产品，并需要通过回收或其他措施进行最终处理。通过使用数字孪生，他们可以确定能够回收哪些材料。

九、数字孪生应用

1.发电设备 大型发动机（包括喷气发动机、机车发动机和发电涡轮机）从数字孪生的使用中受益匪浅，特别是在帮助建立定期维护的时间表方面。

2.物理结构及其系统 大型建筑物或海上钻井平台等大型物理结构可以通过数字孪生进行改进，尤其是在设计过程中。也可用于设计在这些结构内运行的系统，例如HVAC系统。

3.制造业务 由于数字孪生旨在反映产品的整个生命周期，因此数字孪生在制造的各个阶段无处不在，指导产品从设计到成品以及其间的所有步骤也就不足为奇了。

4.医疗保健服务 正如可以通过使用数字孪生对产品进行分析一样，接受医疗保健服务的患者也可以采用数字孪生。相同类型的传感器生成数据系统可用于跟踪各种健康指标并生成关键见解。

5.汽车行业 汽车是许多类型的复杂、协同工作的系统，数字孪生广泛应用于汽车设计中，既可以提高汽车性能，也可以提高生产效率。

6.城市规划 土木工程师和参与城市规划活动人员可以通过使用数字孪生得到了极大的帮助，数字孪生可以实时显示3D和4D空间数据，还可以将增强现实系统纳入建筑环境。

（图片来源于网络）

随着5G、物联网、云计算、数字孪生等新兴一代技术的发展以及层出不穷的网络新业务涌现, 网络负载不断增加, 网络规模持续扩大。由此带来的网络复杂性, 使得网络的运行和维护变得越来越复杂。同时, 由于网络运营的高可靠性要求, 网络故障的高代价以及昂贵的试验成本, 网络的变动往往牵一发而动全身, 新技术的部署愈发困难。讲数字孪生之前先具体来说一下 , 超大规模网络发展面临的哪些典型挑战：

1) 网络灵活性不足

2) 网络新技术研发周期长、部署难度大

3) 网络综合管理运维复杂

4) 网络优化成本高、风险大

为解决上述困难, 网络智能化越来越为各行业、产业界所重视。基于 “ 意图网络”, “自动驾驶网络”, “零接触(Zero-Touch)网络”等概念和技术相继被业界提出和推广, 希望借助网络智能化技术, 实现网络自动化和自主化运行的愿景。数字孪生系统构建物理网络的实时镜像, 可增强物理网络所缺少的系统性仿真、优化、验证和控制能力, 助力上述网络新技术的部署, 更加高效地应对网络问题和挑战。

十、关于数字孪生未来

关于未来我们充满无限的想象，在这个大变局的时代，传统企业现有运营模式正在发生根本性变化。资产密集型行业正在进行数字化改造，以颠覆性的方式改变运营模式，需要对资产、设备、设施和流程进行综合的物理和数字化视图。数字孪生是这种重新调整的重要组成部分。而数字孪生的未来几乎是无限的，因为它已经在越来越多行业的应用中被验证了可行性。