數字孿生創建一個虛擬的“自己”

數字孿生工廠、數字孿生城市、數字孿生建筑……如今，數字孿生的應用日益廣泛，人們對數字孿生的關注度也與日俱增。那到底什么是數字孿生，它又將給人們的工作生活帶來哪些變化？接下來，我們一一揭開數字孿生的神秘面紗。

1 數字孿生也稱數字鏡像

數字孿生也稱為數字映射和數字鏡像，它是在數字世界中建立與物理實體的性能完全一致，且可對其進行實時仿真的模型。通過實時感知物理實體的狀況和環境，數字孿生體隨物理實體而演變，保持高度保真性。同時，通過在數字孿生上的仿真、推演和預測分析，反過來作用于物理實體。

數字孿生概念可追溯到1970年美國國家航空航天局（NASA）的阿波羅項目。NASA建設了一套完整的、高水準的地面半物理仿真系統，用于培訓宇航員和控制人員，包括模擬多種故障場景的處理。這一仿真系統包含各式各樣功能的模擬器，由聯網的多臺計算機控制。指令艙模擬器用了四臺計算機，登月艙模擬器用了三臺計算機。在模擬培訓中，唯一真實的東西是乘員、座艙和任務控制臺，其他所有的一切，都是由很多計算機、許多的公式以及經驗豐富的技術人員仿真而創造出來的。

2003年，美國密歇根大學的邁克爾·格里夫斯教授針對設備全生命周期管理，提出了物理實體的虛擬數字表達，并提出了三維模型，但當時并沒有用數字孿生這個術語。

NASA在其特定的工程實踐中，首先認識到了建設物理孿生的重要性。隨著計算機、網絡技術的高速發展，特別是軟件技術與仿真技術的高度發展，使得各種物理孿生對象，從功能上、行為上完全可以用計算機系統進行仿真替代，在此基礎上，很自然地提出了數字孿生概念。2012年，NASA在其發布的技術路線圖的“Simulation-Based Systems Engineering”部分中，首次提出了數字孿生（Digital Twins）的概念。

2015年以來，西門子，GE等公司將數字孿生應用到工業界，開發了工業系統、醫療系統的數字孿生。

2017—2019年，Gartner連續三年將數字孿生列入十大戰略性技術。數字孿生引起廣泛關注和高度重視，開始在各行各業獲得應用。

2 與常規數值仿真不同

事實上，數字孿生不同于常規數值仿真。數字孿生的主要功能是對物理實體的仿真，與常規數值仿真相比，在內涵和支撐技術方面都有所不同：

1）數字孿生和常規數值仿真相比，具有高保真性，體現了數字孿生中“孿生”的含義。

2）常規數值仿真采用不變或不經常變的模型，數字孿生是“活模型”，隨物理實體的狀態及運行環境變化而同步跟蹤并實時演變。

3)常規數值仿真和物理實體之間是開環關系，而數字孿生和物理實體構成閉環。一方面，數字孿生需要實時感知物理實體并隨實體而演變，另一方面，在數字孿生上進行的仿真、推演、預測結果，將反饋給物理實體，支持物理實體的決策。

4）常規數值仿真大多采用機理建模方法構建模型，而建立數字孿生時，可以采用機理模型建模方法，更多情況下需要采用數據驅動方法或數據驅動和機理模型建模相結合的方法。

5）常規數值仿真通常是單物理場、單時間尺度的，因數字孿生需要關注物理實體的全生命周期過程、各方面的特性，通常需要建立多時間尺度、多物理場的仿真模型。

6）常規數值仿真需要的技術較為單一，了解物理實體的物理特性，并利用計算機實現編程即可。數字孿生需要先進的傳感技術，通信技術，云邊協同技術，數據傳輸、儲存、處理和分析技術，人工智能技術，AR、VR和其他先進的可視化技術。

3 大大減少試錯成本

建造物理實體的物理孿生代價太大，而且嚴格意義上，物理實體獨一無二，無法實現兩個物理實體的完全一致。另一方面，在物理實體上試錯成本高。例如，在真實電力系統中做故障試驗風險很大。運用數字孿生技術，可以在不改變原有物理實體的情況下，“克隆”出與之高度相似的數字實體，在數字世界中可以看到物理實體的各種特性，并且可以在數字孿生上模擬不同的“假設-分析”場景，并對物理實體進行性能改進，可以提前知道某項決策運用在物理實體上是否可行，因此，可大大減少試錯成本。

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，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。數字孿生與傳統的數值仿真相比，內涵和功能更加豐富，支撐技術更全面和先進。

數字孿生概念已提出多年，直到近兩三年才引起廣泛重視，這是因為數字孿生的支撐技術如傳感技術、云計算、大數據技術、人工智能技術的快速發展，為數字孿生的落地應用奠定了基礎，另一方面，也是各行各業的智能化、數字化發展目標與數字孿生相契合。

4 應用領域備受關注

數字孿生已引起各行各業的重視，其中最受關注的行業是制造、城市管理、電力、醫療，用于支持智能制造、智慧城市、新型電力系統和精準醫療。

數字孿生支撐智慧城市。在城市數字孿生建設方面，新加坡走在前列。新加坡政府耗資7300萬新元，創建了整座城市的實時數字孿生，政府人員可以在政策真正實施之前，在數字孿生上進行虛擬實驗，并測試各種場景。

此外，英國在BIM基礎上建立一個公共基礎設施的國家數字孿生模型；意大利熱那亞市莫蘭迪橋倒塌后，創建了數字孿生模型，使用Bentley的開放式建模和模擬應用程序。歐盟也在建設城市數字孿生，用于能源和CO2模擬，污染和交通的實時監測，城市規劃和運營，資產管理等，帶來更高的運營效率、更好的危機管理、更明智的決策、更具參與性的治理，讓城市更具流動性和宜居性。

數字孿生支撐智能制造。應用數字孿生技術，對制造中涉及的產品、現場、過程和人，進行實時模擬并實現協同管理。對于產品，需關注其全生命周期，從設計到投運、在用戶環境中的運行維護，直到報廢；對于現場，需建立工廠、車間的虛擬現場-模擬復雜的制造和運行環境；過程是指整個的制造和運行過程；對于人而言，不僅要模擬人的行為，還需要把工作信息發送給工作人員，或將工作人員的信息傳送過來，改善效率和質量。

特斯拉在電動汽車制造中應用了數字孿生技術。特斯拉擁有其制造的每輛汽車的數字孿生，用于在汽車和工廠之間不斷交換數據。特斯拉通過這些數字孿生，不斷調整和測試產品性能。在自動駕駛方面，特斯拉創建駕駛員及其行為、汽車及其行為方式、道路上的其他汽車和道路本身的數字孿生。通過捕獲大量數據和深入分析這些數據，有助于解釋自動駕駛中人、車的復雜行為，實現車輛的自動駕駛。

數字孿生支撐精準醫療。在現代醫療中，診斷方案往往依賴于對少數病例的試驗結果，未必適合每個個體。應用數字孿生技術，可以通過監測、處理和整合來自醫用可穿戴設備、模型數據組、醫療影像和電子病歷等大量數據生成個體的數字孿生。用數千種藥物對這些數字孿生體進行計算治療，以確定性能最好的藥物。基于數字孿生的精準醫療的原則是：“可以在計算機模型上犯錯誤而不是在人身上”。

數字孿生支撐新一代電力系統。數字孿生在電力系統有很好的應用前景，應用場景很多，幾乎可覆蓋電力系統的各個環節、各個技術領域。發電環節，數字孿生可應用于短期新能源發電功率預測，風機、光伏系統故障診斷、抽水蓄能機組故障檢測和識別；在輸配電系統，借助數字孿生，可實現輸電網和配電網的實時在線仿真，實現仿真的保真性。

針對輸變電設備，應用數字孿生，可進行電纜健康評估、變電站/變壓器運維。

電池儲能的應用越來越廣泛，在電池儲能運行中，需了解電池的SoH和SoC情況，建立數字孿生可對SoH和SoC進行實時精準評估，不僅可應用于電網用儲能，也可應用于電動汽車儲能。

在用戶側，通過建立綜合能源系統數字孿生、供電系統的數字孿生，提高能源管理水平。在調控環節，應用數字孿生，可以建立毫秒級變化的電力系統數字孿生，實時在線實時仿真，建立源網荷儲數字孿生，支持源網荷儲協同管理。