什么是数字孪生？一篇文章理解数字孪生的概念和应用

我想很多业内人士都听说过数字孪生。在过去的几年里，这个词的热度一直在上升，并经常出现在许多论坛的演讲主题中，引起了业内外的关注。什么是数字孪生？数字孪生的概念是什么？数字孪生是谁提出的？数字孪生会给我们的生活带来什么样的变化？

带着这些问题，让我们来看看文章。

什么是数字孪生？

数字孪生，英文名为DigitalTwin (数字孪生)，又称数字投影、数字镜像。

数字孪生的概念是充分利用数据模型、传感器更新、运行历史等数据，整合多学科、多物理量、多尺度、多概率的模拟过程，在虚拟空间中完成投影，反映相应物理设备的整个生命周期过程。简单地说，数字孪生是在设备或系统的基础上创建一个数字版本的“克隆体”。

这种“克隆体”，也被称为“数字孪生体”。是建立在信息平台的，是虚拟的。数字孪生的特点是：它是对实体对象（也称为“自身”）的动态模拟。也就是说，数字孪生会“动”。

此外，数字孪生并不是随意乱“动”。它“动”的基础来自于自己的物理设计模型，以及它自身的传感器反馈数据，以及自身运行的历史数据。自身的即时状态，以及外部环境条件，都将复制到“双生体”中。

如果需要改动系统设计，或者想知道系统在特殊外部情况下的反应，工程师可以在双生体上进行“实验”。这样既避免了对自身的影响，又提高了效率，节约了成本。

除了“会动”，要理解数字孪生，还要记住三个关键词，即“全生命周期”、“即时/准实时”、“双向”。

数字孪生是来自工业界的概念。在工业制造领域，有一个词叫“生命周期管理”（PLM）一定大家都听说过。

整个生命周期是指数字孪生可以贯穿商品的整个周期，包括设计、开发、制造、服务、维护甚至报废和回收。它不仅是为了促进企业更好地生产产品，也是为了帮助用户更好地使用商品。

即时/准实时是指在自身和双生体之间建立全面的即时或准实时联系。两者并不完全独立，映射关系也有一定的实时性。

双向是指自身和双生体之间的数据流可以是双向的。不仅数据可以自己导出双生体，双生体也可以自己反馈信息。企业可以根据双生体反馈的信息选择进一步的行动和干预。

数字孪生的起源

2011年3月，美国空军研究实验室理论力学单位PamelaA.Kobryn和EricJ.Tuegel，做了一次演讲，题目是“Condition-basedMaintenancePlusStructuralIntegrity(CBM+SI)&theAirframeDigitalTwin（基于状态的维护+结构完整性&战斗机机体数字孪生）”，明确提到数字孪生的概念。

当时，AFRL希望实现战斗机维护的数字化，而数字孪生是他们想出的创新方法。

当美国空军意识到数字孪生具有很强的实用意义时，另一家公司也对数字孪生产生了浓厚的兴趣，这是美国通用电气公司（GE）。

当通用电气公司为国防部提供F-35联合攻击机解决方案时，它发现了数字孪生的价值。当时，通用电气公司一直致力于研究工业数字化，以及如何构建工业物联网系统。显然，数字孪生对工业4.0非常有用，可以说是鱼得水。

后来，德国西门子（德国工业4.0代表企业）也拥抱了数字孪生，并将其视为珍宝。

2015年，中国也逐步跟进。当时，包括工业4.0研究所在内的许多国内研究机构和企业都启动了与数字孪生相关的研究课题。

此后，数字孪生的概念开始风靡互联网和工业界，直到如今。

数字孪生的价值

这只建了一个数字孪生体。为什么说它会影响第四次工业革命的发展？它能给传统产业带来什么好处？让我们通过这个案例来解释一下。

工业制造数字孪生起源于工业制造领域。工业制造也是数字孪生的主要战场。在产品研发过程中，数字孪生可以虚拟构建商品数字模型，并进行模拟测试和验证。在制造过程中，可以模拟设备的运行和参数调整带来的变化。

数字孪生可以有效地提高产品的可靠性和可用性，降低产品研发和制造的风险。在维护阶段，数字孪生也可以发挥重要作用。正如前面所说，美国空军提出数字孪生是为了帮助更好地维护战斗机。

选择数字孪生技术，通过对操作数据的持续采集和智能分析，可以预测维护工作的时间点，也可以为维护周期提供参考。数字孪生还可以为故障点和故障概率提供参考。

数字孪生给工业制造业带来了非常明显的效率提高和成本下降，促使绝大多数工业巨头蜂拥而至。

以美国通用公司为例。他们声称为每个引擎、涡轮和磁共振创造了一个数字孪生（到2018年，通用电气已经有120万个数字孪生）。通过这些真正的数字模型，工程师可以在虚拟空间中进行调整和实验，以达到设备运行效果。

国内很多工业科技公司也布局了数字孪生技术，包括根互联、研华科技、软通电等。

除了工业制造，智慧城市还有数字孪生和5G、智慧城市也有着非常密切的关系。

众所周知，5G将开启“万物互联”的时代，将人类的连接技术推向新高度。

未来，在5G的支持下，云与端之间可以建立更紧密的联系。这意味着更多的数据将被收集并集中在一起。

这些信息可以帮助建立一个更强大的数字孪生。例如，一个数字孪生城市。我们的城市充满了各种各样的传感器和摄像头。借助物联网技术，包括5G，这些终端收集的数据可以更快地提取出来。

在数字孪生城市，通过传感器、摄像头、数字化子系统收集基础设施（水、电、气、交通等）的工作状态，通过包括5G在内的物联网技术将市政资源（警察、医疗、消防等）的配制传递到云端。

基于这些信息和城市模型，城市管理者构建数字孪生，从而更有效地管理城市。

与工业制造业的“生命周期”相比，城市的“生命周期”更长，数字孪生的回报更大。当然，城市数字孪生的部署也更加困难。

事实上，印度海德拉巴、新加坡、中国深圳和雄安都在探索和尝试这方面。大量投资正涌向“智慧城市+数字孪生”的应用领域。

阿里的“城市大脑”、“数字平行世界”、科大讯飞的和“讯飞超脑”都涉及到智慧城市与数字孪生的结合。

基础设施工程基础设施工程也是数字孪生的一个重要应用领域。特别是对于中国这个“基础设施狂人”来说，引入数字孪生更为重要。

在高速公路、桥梁等基础设施建设前，完成工程数字建模，然后在虚拟数字空间模拟工程，评价工程结构和承载力，进口流量数据，评价工程投入使用后是否能满足需求。

项目交付后，还可以在维护阶段评估项目是否能承受特殊情况的压力。并监测可能发生的安全风险。

除上述领域外，包括医疗、物流、环保等多个场景都适合选择数字孪生技术，应用领域非常广泛。

一般来说，数字孪生是一项非常有潜力的技术，它将给企业带来丰富的价值回报。正因为如此，许多投资机构利用这个机会流行数字孪生的概念，许多企业迫不及待地想要拥抱数字孪生。

转自千寻位置

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