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(shí)體的性能完全一致，且可對其進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真的模型。利用安裝在真實(shí)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(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體與物理實(shí)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(shí)體的高度相似實(shí)體，物理實(shí)體和數(shù)字孿生之間存在同步和閉環(huán)關(guān)系。通過實(shí)時(shí)感知物理實(shí)體的狀況和環(huán)境，數(shù)字孿生體隨物理實(shí)體而演變，保持高度保真性，同時(shí)，通過在數(shù)字孿生上的仿真、推演和預(yù)測分析，反過來作用于物理實(shí)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(shí)體進(jìn)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(gè)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(shí)體的狀態(tài)及運(yùn)行環(huán)境變化而同步跟蹤并實(shí)時(shí)演變（evolutionary model）。

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

4）常規(guī)數(shù)值仿真大多采用機(jī)理建模方法構(gòu)建模型，而建立數(shù)字孿生時(shí)，可以采用機(jī)理模型建模方法，更多情況下需要采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法或數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和機(jī)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(shí)間尺度的，因數(shù)字孿生需要關(guān)注物理實(shí)體的全生命周期過程、各方面的特性，通常需要建立多時(shí)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(shí)體的物理特性，并利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)編程即可。數(shù)字孿生需要先進(jìn)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(chǔ)存、處理和分析技術(shù)，人工智能技術(shù)，AR、VR和其他先進(jìn)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(xiàng)目。NASA建設(shè)了一套完整的、高水準(zhǔn)的地面半物理仿真系統(tǒng)，用于培訓(xùn)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(tái)計(jì)算機(jī)控制。指令艙模擬器用了四臺(tái)計(jì)算機(jī)，登月艙模擬器用了三臺(tái)計(jì)算機(jī)。在模擬培訓(xùn)中，唯一真實(shí)的東西是乘員、座艙和任務(wù)控制臺(tái)，其他所有的一切，都是由很多計(jì)算機(jī)、許多的公式以及經(jīng)驗(yàn)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(xùn)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(xué)的邁克爾·格里夫斯教授針對設(shè)備全生命周期管理，提出了物理實(shí)體的虛擬數(shù)字表達(dá)，并提出了三維模型，但當(dāng)時(shí)并沒有用數(shù)字孿生這個(gè)術(shù)語。

NASA在其特定的工程實(shí)踐中，首先認(rèn)識(shí)到了建設(shè)物理孿生的重要性。隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行仿真替代，在此基礎(chǔ)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(yīng)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(guān)注和高度重視，開始在各行各業(yè)獲得應(yīng)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(shí)體的物理孿生代價(jià)太大，而且嚴(yán)格意義上，物理實(shí)體獨(dú)一無二，無法實(shí)現(xiàn)兩個(gè)物理實(shí)體的完全一致；另一方面，在物理實(shí)體上試錯(cuò)成本高，例如，在真實(shí)電力系統(tǒng)中做故障試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)很大。運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，可以在不改變原有物理實(shí)體的情況下，“克隆”出與之高度相似的數(shù)字實(shí)體，在數(shù)字世界中可以看到物理實(shí)體的各種特性，并且可以在數(shù)字孿生上模擬不同的“假設(shè)-分析”（What-if）場景，并對物理實(shí)體進(jìn)行性能改進(jìn)，可以提前知道某項(xiàng)決策運(yùn)用在物理實(shí)體上是否可行，因此，可大大減少試錯(cuò)成本。

小結(jié)