3.3.1　数字孪生

“数字孪生”概念首次出现在2003年美国密歇根大学Grieves教授的产品全生命周期管理课程中。在虚拟空间构建的数字模型与物理实体的交互式映射忠实地描述了物理实体整个生命周期的轨迹。2010年，Digital Twin（数字孪生）一词在NASA的技术报告中被正式提出，并被定义为“集成多个物理量、多个尺度和多个概率的系统或飞行器模拟过程”。

通过查阅众多文献资料，我们总结出在数字孪生中，会先将物理对象转化为数据，再将数据和原理建模，然后由模型中的机理模型和数据驱动模型实现自我学习与动态调整，最后将模型载入软件中，软件将实现对物理对象的描述、诊断、预测、决策等功能。整个过程如图3.24所示。

图3.24　数字孪生定义

数字孪生是在虚拟空间中创建现实事物的数字动态孪生体。借助传感器，可以将本体的运行状态和外部环境数据实时映射到数字孪生体中。其本质是创造了一个数字版的“克隆体”，也称为“数字孪生体”。数字孪生实现了真实物理系统向虚拟空间数字模型的反馈。基于数字模型的各种模拟、分析、数据积累、探索，甚至人工智能的应用，也都适用于真实的物理系统。该技术最初用于工业制造领域，元宇宙需要通过数字孪生来构建具有极其丰富的细节的逼真环境，并创造身临其境的临场体验。

数字孪生可以复制现实世界的物理元素，其最终产品是作为现实世界镜像的“克隆宇宙”，元宇宙则是根据现实或幻觉（如超现实、科幻等）的逻辑对现实世界进行复制和修改，以开放的模式呈现“多元宇宙”。数字孪生与元宇宙的关系如图3.25所示。

图3.25　数字孪生与元宇宙：克隆宇宙和多元宇宙

1.数字孪生的特点

数字孪生的特点有很多，各种文献的说法不尽统一。可以把数字孪生的特点总结为互操作性、实时性、可扩展性、保真度和闭环性，如图3.26所示。

●互操作性：数字孪生中的物理对象和数字空间可以双向映射、动态交互和连接。因此，数字孪生具有将物理实体映射到各种数字模型的能力，并且具有在不同数字模型之间相互转换和融合的能力。

●实时性：因为数字孪生要去再现随着时间轴而变化的物理实体，所以需要以计算机可识别和处理的方式管理数据，即数字化。

●可扩展性：数字孪生技术具有集成、添加和替换数字模型的能力，并且可以对模型内容进行扩展。

●保真度：数字孪生要求虚拟物体不仅要保持对实体几何结构的高度模拟，还要在状态、相位和时态方面进行模拟，尽力保证数字虚拟模型与物理实体之间的相似度。

●闭环性：数字孪生中的数字虚拟体用于描述物理实体的可视化模型和内部机制，从而监控物理实体的状态数据，进行分析推理，优化工艺参数和运行参数，并实现决策功能，即对虚拟体和物理实体使用一个闭环系统。

图3.26　数字孪生的特点示意图

2.数字孪生的应用场景

目前，数字孪生的应用场景主要面向B端用户。近年来，随着与人工智能等新兴技术的融合发展，数字孪生开始广泛应用于航空航天、电力、航运、农业、健康和医疗等领域。特别是在智能制造和智慧城市领域，数字孪生被认为是实现制造信息/城市信息与物理世界交互融合的有效手段。2017年到2019年，数字孪生连续三年入选Gartner十大战略性技术趋势。

目前，数字孪生的主要应用领域包括数字化设计、虚拟工厂、设备维护、智慧城市、智慧医疗等（如图3.27所示）：

●数字化设计：通过数字孪生技术打造产品设计的数字孪生体，在虚拟空间中进行系统仿真，实现反馈设计、迭代创新和持续优化。目前，在汽车、船舶、航空航天、精密装备制造等领域，样机设计、工艺设计、工程设计、数字样机等形式的数字化设计实践已经普遍开展。

●虚拟工厂：虚拟工厂是指基于数字孪生技术与MES的结合，在虚拟空间中构建的数字虚拟车间和数字工厂，可实现物理实体与数字虚拟实体的动态数据交互，根据虚拟空间的变化实时对生产进行预测。

●设备维护：开发、设计设备数字孪生体并与物理实体同步交互，实现设备生命周期的数字化管理。

●智慧城市：构建城市的数字孪生体，以定量和定性相结合的形式，在数字世界中模拟天气环境、基础设施、人口、土地、工业交通等要素的交互运行，绘制“城市肖像”，帮助决策者在物理世界完善城市规划。

●智慧医疗：数字孪生与医疗服务相结合，实现对人体运行机理和医疗设备的动态监测、仿真和模拟，加速科研创新向临床转化，提高医疗诊断效率，优化对医疗设备质量的控制和监督。

图3.27　数字孪生应用领域