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數字孿生是一種全生命周期的虛擬映射技術(shù)，通過(guò)集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的數據，反映實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。它是一個(gè)超越現實(shí)的概念，可以被視為一個(gè)或多個(gè)重要的、彼此依賴(lài)的裝備總結。數字孿生
信息鏡像模型
Digital Twin數字孿生：是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。
Digital Twin是一種超越現實(shí)的概念，可以被視為一個(gè)或多個(gè)重要的、彼此依賴(lài)的裝備系統的數字映射系統。
基本信息
| 中文名 | 數字孿生 |
| 外文名 | Digital Twin |
| 其他譯法 | 數字鏡像、數字化映射 |
| 別名 | 信息鏡像模型 |
| 相關(guān)概念 | Digital Thread |
| 意義 | 實(shí)現了現實(shí)物理系統向賽博空間數字化模型的反饋。 |
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概念介紹
圖1 數據流動(dòng)與信息鏡像
數字孿生，有時(shí)候也用來(lái)指代將一個(gè)工廠(chǎng)的廠(chǎng)房及產(chǎn)線(xiàn)，在沒(méi)有建造之前，就完成數字化模型。從而在虛擬的賽博空間中對工廠(chǎng)進(jìn)行仿真和模擬，并將真實(shí)參數傳給實(shí)際的工廠(chǎng)建設。而工房和產(chǎn)線(xiàn)建成之后，在日常的運維中二者繼續進(jìn)行信息交互。值得注意的是：Digital Twin不是構型管理的工具，不是制成品的3D尺寸模型，不是制成品的MBD定義。
對于Digital Twin的極端需求，同時(shí)也將驅動(dòng)著(zhù)新材料開(kāi)發(fā)，而所有可能影響到裝備工作狀態(tài)的異常，將被明確地進(jìn)行考察、評估和監控。Digital Twin正是從內嵌的綜合健康管理系統（IVHM）集成了傳感器數據、歷史維護數據，以及通過(guò)挖掘而產(chǎn)生的相關(guān)派生數據。通過(guò)對以上數據的整合，Digital Twin可以持續地預測裝備或系統的健康狀況、剩余使用壽命以及任務(wù)執行成功的概率，也可以預見(jiàn)關(guān)鍵安全事件的系統響應，通過(guò)與實(shí)體的系統響應進(jìn)行對比，揭示裝備研制中存在的未知問(wèn)題。Digital Twin可能通過(guò)激活自愈的機制或者建議更改任務(wù)參數來(lái)減輕損害或進(jìn)行系統的降級，從而提高壽命和任務(wù)執行成功的概率。
兩者關(guān)系
圖2 數據經(jīng)由Digital Thread流動(dòng)
圖3 數字孿生與數字生產(chǎn)線(xiàn)
Digital Twin是一個(gè)物理產(chǎn)品的數字化表達，以便于我們能夠在這個(gè)數字化產(chǎn)品上看到實(shí)際物理產(chǎn)品可能發(fā)生的情況，與此相關(guān)的技術(shù)包括增強現實(shí)和虛擬現實(shí)。Digital Thread在設計與生產(chǎn)的過(guò)程中，仿真分析模型的參數，可以傳遞到產(chǎn)品定義的全三維幾何模型，再傳遞到數字化生產(chǎn)線(xiàn)加工成真實(shí)的物理產(chǎn)品，再通過(guò)在線(xiàn)的數字化檢測/測量系統反映到產(chǎn)品定義模型中，進(jìn)而又反饋到仿真分析模型中。依靠Digital Thread，所有數據模型都能夠雙向溝通，因此真實(shí)物理產(chǎn)品的狀態(tài)和參數將通過(guò)與智能生產(chǎn)系統集成的賽博物理系統CPS向數字化模型反饋，致使生命周期各個(gè)環(huán)節的數字化模型保持一致，從而能夠實(shí)現動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)評估系統的當前及未來(lái)的功能和性能。而裝備在運行的過(guò)程中，又通過(guò)將不斷增加的傳感器、機器的聯(lián)接而收集的數據進(jìn)行解釋利用，可以將后期產(chǎn)品生產(chǎn)制造和運營(yíng)維護的需求融入到早期的產(chǎn)品設計過(guò)程中，形成設計改進(jìn)的智能閉環(huán)。然而，并不是建立了全機有限元模型，就有了數字孿生，那只是問(wèn)題的一個(gè)角度；必須在生產(chǎn)中把所有真實(shí)制造尺寸反饋回模型，再用PHM（健康預測管理）實(shí)時(shí)搜集飛機實(shí)際受力情況，反饋回模型，才有可能成為Digital Twin。
Digital Twin描述的是通過(guò)Digital Thread連接的各具體環(huán)節的模型?？梢哉f(shuō)Digital Thread是把各環(huán)節集成，再配合智能的制造系統、數字化測量檢驗系統的以及賽博物理融合系統的結果。通過(guò)Digital Thread集成了生命周期全過(guò)程的模型，這些模型與實(shí)際的智能制造系統和數字化測量檢測系統進(jìn)一步與嵌入式的賽博物理融合系統(CPS)進(jìn)行無(wú)縫的集成和同步，從而使我們能夠在這個(gè)數字化產(chǎn)品上看到實(shí)際物理產(chǎn)品可能發(fā)生的情況。
簡(jiǎn)單說(shuō)，Digital Thread貫穿了整個(gè)產(chǎn)品生命周期，尤其是從產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、運維的無(wú)縫集成；而Digital Twin更像是智能產(chǎn)品的概念，它強調的是從產(chǎn)品運維到產(chǎn)品設計的回饋。
Digital Twin它是物理產(chǎn)品的數字化影子，通過(guò)與外界傳感器的集成，反映對象從微觀(guān)到宏觀(guān)的所有特性，展示產(chǎn)品的生命周期的演進(jìn)過(guò)程。當然，不止產(chǎn)品，生產(chǎn)產(chǎn)品的系統（生產(chǎn)設備、生產(chǎn)線(xiàn)）和使用維護中的系統也要按需建立Digital Twin。
應用和進(jìn)展
實(shí)現Digital Twin的許多關(guān)鍵技術(shù)都已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，比如多物理尺度和多物理量建模、結構化的健康管理、高性能計算等，但實(shí)現Digital Twin需要集成和融合這些跨領(lǐng)域、跨專(zhuān)業(yè)的多項技術(shù)，從而對裝備的健康狀況進(jìn)行有效評估，這與單個(gè)技術(shù)發(fā)展的愿景有著(zhù)顯著(zhù)的區別。因此，可以設想Digital Twin這樣一個(gè)極具顛覆的概念，在未來(lái)可以預見(jiàn)的時(shí)間內很難取得足夠的成熟度，建立中間過(guò)程的里程碑目標就顯得尤為必要。
數字孿生
GE將其作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要概念，力圖通過(guò)大數據的分析，可以完整地透視物理世界機器實(shí)際運行的情況；而
圖4 數字世界和實(shí)體世界的融合
系統的基礎
Digital twin最為重要的啟發(fā)意義在于，它實(shí)現了現實(shí)物理系統向賽博空間數字化模型的反饋。這是一次工業(yè)領(lǐng)域中，逆向思維的壯舉。人們試圖將物理世界發(fā)生的一切，塞回到數字空間中。只有帶有回路反饋的全生命跟蹤，才是真正的全生命周期概念。這樣，就可以真正在全生命周期范圍內，保證數字與物理世界的協(xié)調一致。各種基于數字化模型進(jìn)行的各類(lèi)仿真、分析、數據積累、挖掘，甚至人工智能的應用，都能確保它與現實(shí)物理系統的適用性。這就是Digital twin對智能制造的意義所在。
智能系統的智能首先要感知、建模，然后才是分析推理。如果沒(méi)有Digital twin對現實(shí)生產(chǎn)體系的準確模型化描述，所謂的智能制造系統就是無(wú)源之水，無(wú)法落實(shí)。
原理
最早，數字孿生思想由密歇根大學(xué)的 Michael Grieves 命名為“信息鏡像模型”（Information Mirroring Model），而后演變?yōu)椤皵底謱\生”的術(shù)語(yǔ)。數字孿生也被稱(chēng)為數字雙胞胎和數字化映射。數字孿生是在 MBD 基礎上深入發(fā)展起來(lái)的，企業(yè)在實(shí)施基于模型的系統工程（MBSE）的過(guò)程中產(chǎn)生了大量的物理的、數學(xué)的模型，這些模型為數字孿生的發(fā)展奠定了基礎。2012 年 NASA 給出了數字孿生的概念描述：數字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數據，集成多學(xué)科、多尺度的仿真過(guò)程，它作為虛擬空間中對實(shí)體產(chǎn)品的鏡像，反映了相對應物理實(shí)體產(chǎn)品的全生命周期過(guò)程。為了便于數字孿生的理解，莊存波等提出了數字孿生體的概念，認為數字孿生是采用信息技術(shù)對物理實(shí)體的組成、特征、功能和性能進(jìn)行數字化定義和建模的過(guò)程。數字孿生體是指在計算機虛擬空間存在的與物理實(shí)體完全等價(jià)的信息模型，可以基于數字孿生體對物理實(shí)體進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化。數字孿生是技術(shù)、過(guò)程、方法，數字孿體是對象、模型和數據。
進(jìn)入21世紀，美國和德國均提出了 Cyber-Physical System（CPS），也就是“信息-物理系統”，作為先進(jìn)制造業(yè)的核心支撐技術(shù)。CPS 的目標就是實(shí)現物理世界和信息世界的交互融合。通過(guò)大數據分析、人工智能等新一代信息技術(shù)在虛擬世界的仿真分析和預測，以最優(yōu)的結果驅動(dòng)物理世界的運行。數字孿生的本質(zhì)就是在信息世界對物理世界的等價(jià)映射，因此數字孿生更好的詮釋了 CPS,成為實(shí)現 CPS 的最佳技術(shù)。
基本組成
2011 年，Michael Grieves 教授在《幾乎完美：通過(guò)PLM驅動(dòng)創(chuàng )新和精益產(chǎn)品》給出了數字孿生的三個(gè)組成部分：物理空間的實(shí)體產(chǎn)品、虛擬空間的虛擬產(chǎn)品、物理空間和虛擬空間之間的數據和信息交互接口。
在 2016 西門(mén)子工業(yè)論壇上，西門(mén)子認為數字孿生的組成包括：產(chǎn)品數字化雙胞胎、生產(chǎn)工藝流程數字化雙胞胎、設備數字化雙胞胎，數字孿生完整真實(shí)地再現了整個(gè)企業(yè)。北京理工大學(xué)的莊存波等也從產(chǎn)品的視角給出了數字孿生的主要組成，包括：產(chǎn)品的設計數據、產(chǎn)品工藝數據、產(chǎn)品制造數據、產(chǎn)品服務(wù)數據、以及產(chǎn)品退役和報廢數據等。無(wú)論是西門(mén)子還是北京理工大學(xué)的莊存波都是從產(chǎn)品的角度給出了數字孿生的組成，并且西門(mén)子是以它的產(chǎn)品全生命周期管理系統（product lifecycle management，PLM）為基礎，在制造企業(yè)推廣它的數字孿生相關(guān)產(chǎn)品。
同濟大學(xué)的唐堂等人提出數字孿生的組成應該包括：產(chǎn)品設計、過(guò)程規劃、生產(chǎn)布局、過(guò)程仿真、產(chǎn)量?jì)?yōu)化等。該數字孿生的組成不僅包括了產(chǎn)品的設計數據，也包括了生產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程和仿真分析，更加全面，更加符合智能工廠(chǎng)的要求。
北京航空航天的陶飛等人從車(chē)間組成的角度先給出了車(chē)間數字孿生的定義，然后提出了車(chē)間數字孿生的組成，主要包括：物理車(chē)間、虛擬車(chē)間、車(chē)間服務(wù)系統、車(chē)間孿生數據幾部分組成。物理車(chē)間是真實(shí)存在的車(chē)間，主要從車(chē)間服務(wù)系統接收生產(chǎn)任務(wù)，并按照虛擬車(chē)間仿真優(yōu)化后的執行策略，執行完成任務(wù)；虛擬車(chē)間是物理車(chē)間的計算機內的等價(jià)映射，主要負責對生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行仿真分析和優(yōu)化，并對物理車(chē)間的生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監測、預測和調控；車(chē)間服務(wù)系統是車(chē)間各類(lèi)軟件系統的總稱(chēng)，主要負責車(chē)間數字孿生驅動(dòng)物理車(chē)間的運行，和接受物理車(chē)間的生產(chǎn)反饋。
應用場(chǎng)景
- 最早，美國國家航空航天局使用數字孿生對空間飛行器進(jìn)行仿真分析、檢測和預測，輔助地面管控人員進(jìn)行決策。
- Michael Grieves 教授和西門(mén)子公司主要使用數字孿生進(jìn)行產(chǎn)品數據的全生命周期管理。利用數字孿生對產(chǎn)品設計、產(chǎn)品功能、產(chǎn)品性能、加工工藝、維修維護等進(jìn)行仿真分析。
- 以歐特克公司為代表的工程建設類(lèi)軟件供應商，將數字孿生技術(shù)應用于建筑、工廠(chǎng)、基礎設施等建設領(lǐng)域，把建筑和基礎設施看做產(chǎn)品進(jìn)行全生命周期的管理。
- 北京航空航天大陶飛等人將數字孿生應用于車(chē)間的建設和管控，主要涉及基于數字孿生的產(chǎn)品設計、基于數字孿生的虛擬樣機、基于數字孿生的車(chē)間快速設計、基于數字孿生的工藝規劃、基于數字孿生的車(chē)間生產(chǎn)調度優(yōu)化、基于數字孿生的生產(chǎn)物流精準配送、基于數字孿生的車(chē)間裝備智能控制、基于數字孿生的車(chē)間人機交互、基于數字孿生的裝配、基于數字孿生的測試/檢測、基于數字孿生的制造能耗管理、基于數字孿生的產(chǎn)品質(zhì)量分析與追溯、基于數字孿生的故障預測與健康管理、基于數字孿生的產(chǎn)品服務(wù)系統等。
標準體系
數字孿生標準體系可包含以下部分：
1. 基礎共性標準：包括術(shù)語(yǔ)標準、參考架構標準、適用準則三部分，關(guān)注數字孿生的概念定義、參考框架、適用條件與要求，為整個(gè)標準體系提供支撐作用。
2. 數字孿生關(guān)鍵技術(shù)標準：包括物理實(shí)體標準、虛擬實(shí)體標準、孿生數據標準、連接與集成標準、服務(wù)標準五部分，用于規范數字孿生關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)施，保證數字孿生實(shí)施中的關(guān)鍵技術(shù)的有效性，破除協(xié)作開(kāi)發(fā)和模塊互換性的技術(shù)壁壘。
3. 數字孿生工具/平臺標準：包括工具標準和平臺標準兩部分，用于規范軟硬件工具/平臺的功能、性能、開(kāi)發(fā)、集成等技術(shù)要求。
4. 數字孿生測評標準：包括測評導則、測評過(guò)程標準、測評指標標準、測評用例標準四部分，用于規范數字孿生體系的測試要求與評價(jià)方法。
6. 數字孿生行業(yè)應用標準：考慮數字孿生在不同行業(yè)/領(lǐng)域、不同場(chǎng)景應用的技術(shù)差異性，在基礎共性標準、關(guān)鍵技術(shù)標準、工具/平臺標準、測評標準、安全標準的基礎上，對數字孿生在機床、車(chē)間、工程機械裝備等具體行業(yè)應用的落地進(jìn)行規范。
研究現狀
在智能制造領(lǐng)域最先使用數字孿生概念的是美國的航空航天局（NASA）在阿波羅項目中，美國國家航空航天局使用空間飛行器的數字孿生對飛行中的空間飛行器進(jìn)行仿真分析，監測和預測空間飛行器的飛行狀態(tài)，輔助地面控制人員作出正確的決策。從美國國家航空航天局對數字孿生的應用來(lái)看，數字孿生主要是要創(chuàng )建和物理實(shí)體等價(jià)的虛擬體或數字模型，虛擬體能夠對物理實(shí)體進(jìn)行仿真分析，能夠根據物理實(shí)體運行的實(shí)時(shí)反饋信息對物理實(shí)體的運行狀態(tài)進(jìn)行監控，能夠依據采集的物理實(shí)體的運行數據完善虛擬體的仿真分析算法，從而對物理實(shí)體的后續運行和改進(jìn)提供更加精確的決策。
密歇根大學(xué)的邁克爾·格里夫斯教授在2003年提出了“物理產(chǎn)品的數字表達”的概念，并指出物理產(chǎn)品的數字表達應能夠抽象的表達物理產(chǎn)品，能夠基于數字表達對物理產(chǎn)品進(jìn)行真實(shí)條件或模擬條件下的測試。這個(gè)概念雖然沒(méi)有被稱(chēng)作數字孿生，但是它具備數字孿生所具有的組成和功能，即創(chuàng )建物理實(shí)體的等價(jià)虛擬體，虛擬體能夠對物理實(shí)體進(jìn)行仿真分析和測試。邁克爾·格里夫斯教授提出的理論，可以被看做是數字孿生在產(chǎn)品設計過(guò)程中的應用。
美國國家標準與技術(shù)研究院于 2012 提出了 MBD（基于模型的定義）和 MBE（基于模型的企業(yè)）的概念，其核心思想是要創(chuàng )建企業(yè)和產(chǎn)品的數字模型，數字模型的仿真分析要貫穿產(chǎn)品設計、產(chǎn)品設計仿真、加工工藝仿真、生產(chǎn)過(guò)程仿真、產(chǎn)品的維修維護等整個(gè)產(chǎn)品的壽命周期。MBE 和 MBD 的概念將數字孿生的內涵擴展到了整個(gè)產(chǎn)品的制造過(guò)程。
2015年之后，世界各國分別提出國家層面的制造業(yè)轉型戰略。這些戰略核心目標之一就是構建物理信息系統（Cyber-Physical System，CPS），實(shí)現物理工廠(chǎng)與信息化的虛擬工廠(chǎng)的交互和融合，從而實(shí)現智能制造，數字孿生作為實(shí)現物理工廠(chǎng)與虛擬工廠(chǎng)的交互融合的最佳途徑，被國內外相關(guān)學(xué)術(shù)界和企業(yè)高度關(guān)注。從 CPS 和數字孿生的內涵來(lái)看，他們都是為了描述信息空間與物理世界融合的狀態(tài)，CPS 更偏向科學(xué)原理的驗證，數字孿生更適合工程應用的優(yōu)化，更能夠降低復雜工程系統建設的費用。北京航空航天大學(xué)的陶飛，張萌等人基于數字孿生提出了數字孿生車(chē)間的概念，并從車(chē)間管理要素分析，數字孿生車(chē)間的發(fā)展需要依次經(jīng)過(guò)生產(chǎn)要素、生產(chǎn)活動(dòng)、生產(chǎn)控制僅限于物理車(chē)間，物理車(chē)間與數字孿生車(chē)間相對獨立，物理車(chē)間與數字孿生車(chē)間交互融合這個(gè)三個(gè)階段，才能夠逐漸的成熟。同濟大學(xué)的唐堂，滕琳等認為數字孿生是整合企業(yè)的制造流程，實(shí)現產(chǎn)品從設計到維護全過(guò)程的數字化，通過(guò)信息集成實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程可視化，形成從分析到控制再到分析的閉合回路，優(yōu)化整個(gè)生產(chǎn)系統。GE Digital工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng )新與生態(tài)發(fā)展負責人 Robert Plana 認為，數字孿生最重要的價(jià)值是預測，在產(chǎn)品制造過(guò)程中出現問(wèn)題時(shí)，可以基于數字孿生對生產(chǎn)策略進(jìn)行分析，然后基于優(yōu)化后的生產(chǎn)策略進(jìn)行組織生產(chǎn)。
2022年7月21日，阿里云在北京正式發(fā)布超融合數字孿生平臺。相較于傳統數字孿生技術(shù)，該平臺能將感知、仿真、控制、可視等四域數據進(jìn)行融合與計算，使得算法更快、算力更強，保障分析推演的速度與準確性，目前已廣泛應用于高速公路、城市交通、碼頭及機場(chǎng)等場(chǎng)景，且成效顯著(zhù)。
參考資料
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從“制造”到“智造”“數字孿生”構建經(jīng)濟發(fā)展新藍圖2021-09-08T13:15:04+08:00[引用日期2022-06-20 19:39:03]
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用技術(shù)喚醒機器 智能經(jīng)濟不是簡(jiǎn)單的升級2019-02-12T08:23:34+08:00[引用日期2022-06-20 19:43:58]
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天眼查推出城市數據云解決方案 三大能力助力新型智慧城市建設 · 東方網(wǎng)[引用日期2022-07-08]
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尚可名片
這家伙太懶了，什么都沒(méi)寫(xiě)！
作者
