一、什么是數(shù)字孿生

數(shù)字孿生（Digital Twin）也被稱為數(shù)字映射、數(shù)字鏡像。官方對(duì)其的定義非常復(fù)雜，是充分利用物理模型、傳感器、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)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(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。簡(jiǎn)單說就是在數(shù)字空間創(chuàng)造一個(gè)設(shè)備或一個(gè)系統(tǒng)的克隆體（數(shù)字孿生體），來對(duì)該設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真。也就是說，數(shù)字孿生體是會(huì)“動(dòng)”的，但不是隨便亂“動(dòng)”的。它的“動(dòng)”是基于本體的物理原型，還有本體上面各類傳感器反饋的數(shù)據(jù)及本體運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)。

二、數(shù)字孿生與虛擬現(xiàn)實(shí)的區(qū)別

說到這里，大家可能會(huì)覺得這不就是火了好幾年的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)嗎？他們有什么區(qū)別？首先，虛擬現(xiàn)實(shí)是一種能夠通過虛擬環(huán)境模擬真實(shí)場(chǎng)景和交互的技術(shù)，通過頭戴式顯示器和手柄等設(shè)備，用戶可以沉浸在虛擬世界中。而數(shù)字孿生技術(shù)則是通過數(shù)字模型和傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)的數(shù)字化仿真，以實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)的預(yù)測(cè)、優(yōu)化和控制。其次，應(yīng)用場(chǎng)景和目的不同。虛擬現(xiàn)實(shí)主要應(yīng)用于娛樂、教育和培訓(xùn)等領(lǐng)域，例如游戲、虛擬旅游、虛擬化身等；而數(shù)字孿生技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)、制造、城市規(guī)劃等領(lǐng)域，例如產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)優(yōu)化、城市交通規(guī)劃等。可見，數(shù)字孿生與虛擬現(xiàn)實(shí)是即相似又有區(qū)別的兩個(gè)技術(shù)。隨著目前技術(shù)的逐步發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正與數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行深度融合。

三、數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展歷程

有據(jù)可查的數(shù)字孿生概念提出者是美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL，Air Force Research Laboratory）。2011年3月，隸屬于美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)力學(xué)部門的帕米拉.科布林（Pamela A. Kobryn）和埃里克.蒂格爾(Eric J. Tuegel)首次在報(bào)告“基于狀態(tài)的維護(hù)+結(jié)構(gòu)完整性&戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)體數(shù)字孿生”（Condition-based Maintenance Plus Structural Integrity (CBM+SI) & the Airframe Digital Twin）中提到了數(shù)字孿生的概念。

美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新性地使用數(shù)字孿生概念實(shí)現(xiàn)了戰(zhàn)斗機(jī)維護(hù)工作的數(shù)字化。同時(shí)，美國(guó)通用電氣公司（GE）也跟美國(guó)空軍一樣，意識(shí)到了數(shù)字孿生所具備的實(shí)用意義，并借助為美國(guó)國(guó)防部開展F-35聯(lián)合攻擊機(jī)解決方案設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)探索出數(shù)字孿生體系的價(jià)值。

后來，德國(guó)西門子公司在工業(yè)信息化領(lǐng)域也跟近了數(shù)字孿生建設(shè)。2015年左右，國(guó)內(nèi)多家科研機(jī)構(gòu)和高科技企業(yè)紛紛開啟了數(shù)字孿生相關(guān)課題研究。從此數(shù)字孿生概念開始風(fēng)靡互聯(lián)網(wǎng)和各行各業(yè)，直至今日。

**四、**數(shù)字孿生技術(shù)架構(gòu)

數(shù)字孿生通過各種傳感器（如，攝像頭、PLC、溫度傳感器、氣體傳感器等），采集人、物、環(huán)境等現(xiàn)實(shí)世界數(shù)據(jù)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳輸實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，借助數(shù)據(jù)標(biāo)記與管理，構(gòu)建底層數(shù)據(jù)池。并通過對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的建模，構(gòu)建一個(gè)與現(xiàn)實(shí)世界基本一致的數(shù)字世界，再通過仿真等技術(shù)模擬現(xiàn)實(shí)世界的各類規(guī)律，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)預(yù)測(cè)、問題診斷等功能，反饋現(xiàn)實(shí)世界決策。

數(shù)據(jù)層，主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集物理實(shí)體的各種數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、振動(dòng)等，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)字模型中，并對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分類標(biāo)識(shí)、分析等操作，最終形成可供數(shù)字孿生體表現(xiàn)的數(shù)字信息。

建模層，主要基于采集到的數(shù)據(jù)構(gòu)建數(shù)字孿生體的數(shù)字模型。該類模型可以是展示現(xiàn)實(shí)環(huán)境的幾何模型，也可以是基于物理規(guī)律的物理模型，也可以是基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、知識(shí)圖譜的機(jī)器學(xué)習(xí)類模型。程序員可以通過對(duì)數(shù)字模型的優(yōu)化，提高數(shù)字孿生體的效率、可靠性和安全性。

功能層，主要通過各類模型結(jié)果來模擬數(shù)字孿生體的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、性能和行為指令。同時(shí)，在虛擬空間對(duì)數(shù)字孿生體各類運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、性能數(shù)據(jù)開展分析診斷，預(yù)測(cè)其發(fā)展態(tài)勢(shì)，為現(xiàn)實(shí)世界的物理實(shí)體提供控制優(yōu)化和決策信息。

應(yīng)用層，主要是通過數(shù)字大屏、各類應(yīng)用程序等，將功能層所提供的各項(xiàng)結(jié)果進(jìn)行集中展示，方便在各業(yè)務(wù)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。

五、數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用

目前，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用可謂遍地開花，已為智能制造、航空航天、智慧醫(yī)療、智慧電廠、智慧水廠、智慧城市、軌道交通、區(qū)域應(yīng)急、智慧園區(qū)、智能監(jiān)所、數(shù)字流域、智慧高鐵、機(jī)場(chǎng)管理、礦廠、智慧文旅等行業(yè)賦能，帶動(dòng)了相關(guān)行業(yè)的經(jīng)濟(jì)，助推企業(yè)向智能化、信息化快速轉(zhuǎn)變。

1.制造業(yè)領(lǐng)域

制造業(yè)是數(shù)字孿生的主要戰(zhàn)場(chǎng)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)、運(yùn)維全生命周期都能發(fā)揮其重要作用。通過數(shù)字孿生技術(shù)，不僅可對(duì)產(chǎn)品運(yùn)行中的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)采集及智能分析，還可預(yù)測(cè)產(chǎn)品維修、保養(yǎng)的最佳時(shí)間，有效提升了產(chǎn)品的安全性和可用性，降低產(chǎn)品研發(fā)和制造過程中的風(fēng)險(xiǎn)。例如，美國(guó)通用公司的工程師為公司生產(chǎn)的引擎、渦輪、核磁共振等產(chǎn)品均創(chuàng)造數(shù)字孿生體，借助擬真的數(shù)字化模型在虛擬空間中開展實(shí)驗(yàn)論證和設(shè)備調(diào)試，讓產(chǎn)品能達(dá)到最佳的運(yùn)行效果。

2.工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域

在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)可以將實(shí)體工廠轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各生產(chǎn)工藝流程的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并幫助企業(yè)搜集工藝數(shù)據(jù)，以便為工藝優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐，達(dá)到改進(jìn)創(chuàng)新、提質(zhì)增效的目的。

3.基建領(lǐng)域

數(shù)字孿生的另一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是基建工程。因此，對(duì)于中國(guó)這個(gè)“基建狂魔”來說，引入數(shù)字孿生技術(shù)具有更加實(shí)用和重大的意義。2018年10月創(chuàng)下多項(xiàng)世界第一的超級(jí)工程“港珠澳大橋”正式通車，不僅打通了粵港澳地區(qū)的空間阻隔，也推動(dòng)了三地未來的融合發(fā)展，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。為了管好用好大橋，使其真正服務(wù)于粵港澳大灣區(qū)的建設(shè)，港珠澳大橋管理局于2019年年底，聯(lián)合香港理工大學(xué)、香港大學(xué)、澳門大學(xué)、中交四航工程研究院有限公司等機(jī)構(gòu)，成立了粵港澳大灣區(qū)交通建設(shè)智能維養(yǎng)與安全運(yùn)營(yíng)工程技術(shù)研究中心，使用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建虛擬珠港澳大橋，通過無人機(jī)、無人艇、機(jī)器人等多種設(shè)備采集橋體、水流、空氣等數(shù)據(jù)，開展海量數(shù)據(jù)模型建立與邏輯關(guān)系分析研究，不斷測(cè)試、驗(yàn)證，以完成大橋的智能化運(yùn)維工作。

4.能源領(lǐng)域

在能源領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助企業(yè)進(jìn)行能源的管理和優(yōu)化。企業(yè)可以建立基于數(shù)字孿生的能源網(wǎng)格數(shù)字化模型，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能源的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換和使用，以優(yōu)化能源生產(chǎn)和利用效率，減低能源成本和環(huán)境污染。例如在電力領(lǐng)域，數(shù)字孿生可以提供一個(gè)虛擬的發(fā)電廠模型，通過模擬不同的發(fā)電設(shè)備、能源資源和電網(wǎng)之間的交互作用，優(yōu)化能源產(chǎn)量和能源調(diào)度，提高發(fā)電效率。通過數(shù)字孿生技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，預(yù)測(cè)設(shè)備的維護(hù)需求，提前進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，避免意外故障和減少停機(jī)時(shí)間，降低維護(hù)成本。

而在油氣領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)更是能做到地上、地下一盤棋，更有效地從勘探開發(fā)、煉油化工、油氣銷售、貿(mào)易金融、業(yè)務(wù)培訓(xùn)等多方面實(shí)現(xiàn)企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。如，法國(guó)道達(dá)爾公司將數(shù)字孿生技術(shù)用于縮短、優(yōu)化項(xiàng)目調(diào)試周期，美國(guó)艾默生公司將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于海上生產(chǎn)環(huán)境重構(gòu)，荷蘭殼牌公司應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)開展資產(chǎn)使用壽命優(yōu)化，挪威Aker BP公司采用數(shù)字孿生技術(shù)建設(shè)“少人化作業(yè)平臺(tái)”等。而我國(guó)相關(guān)企業(yè)也通過數(shù)字孿生技術(shù)在油氣井施工效果質(zhì)量提升和優(yōu)化、人工舉升校準(zhǔn)、地下管網(wǎng)運(yùn)行優(yōu)化、設(shè)備資產(chǎn)運(yùn)維等領(lǐng)域進(jìn)行探索。

5.智慧城市規(guī)劃及運(yùn)行領(lǐng)域

數(shù)字孿生技術(shù)可以幫助規(guī)劃師更好地理解城市的物理結(jié)構(gòu)、交通流量和人口分布。建立城市的三維模型，包括建筑物、道路、公共設(shè)施和自然環(huán)境等元素，并在模型中加入交通模擬和人口分布模型。這些模型可以幫助規(guī)劃師模擬城市的交通流量、擁堵情況和人口密度等因素，以更好地了解城市的運(yùn)作方式和瓶頸問題。除此之外，數(shù)字孿生技術(shù)還可以幫助交通運(yùn)輸企業(yè)進(jìn)行優(yōu)化管理，模擬出不同運(yùn)輸方案，預(yù)測(cè)貨物運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間和成本，以便更好地管理物流供應(yīng)鏈和減少成本。

六、數(shù)字孿生技術(shù)展望

目前，我國(guó)數(shù)字孿生行業(yè)仍處在發(fā)展階段，還存在廠商商業(yè)模式不足、業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、高性能計(jì)算及顯示技術(shù)支撐不夠、數(shù)據(jù)處理及解釋能力較弱、安全可靠性低、易受攻擊等問題。

隨著近年來ChatGPT的火爆，未來數(shù)字孿生技術(shù)將與更多先進(jìn)信息化技術(shù)進(jìn)行融合，主要攻關(guān)方向應(yīng)包括引入超算及強(qiáng)人工智能等技術(shù)來降低海量數(shù)據(jù)信息動(dòng)態(tài)更新成本，引入混合現(xiàn)實(shí)、全息投影等技術(shù)來提升可視交互操作效率和引入空間數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)映射關(guān)系分析等技術(shù)來拓展實(shí)際應(yīng)用需求場(chǎng)景。借助以上方向的研究，必將大幅擴(kuò)展數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用邊界、提升數(shù)字孿生技術(shù)的處理效率。未來數(shù)字孿生技術(shù)將不僅能提升城市在城鎮(zhèn)規(guī)劃設(shè)計(jì)、市政智能管控等領(lǐng)域的效率，還能為城市管理者提供更加智能的輔助分析、決策基礎(chǔ)，更能在工業(yè)智能制造、行業(yè)軟件開發(fā)、高精尖領(lǐng)域科研攻關(guān)甚至外太空探索等領(lǐng)域發(fā)揮重大建設(shè)性作用，為我國(guó)各產(chǎn)業(yè)、研究機(jī)構(gòu)的高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支撐，為我國(guó)的偉大民族復(fù)興提供不竭的創(chuàng)新動(dòng)能。

來源: 中國(guó)石油大慶油田公司