数字孪生：概念与应用

2023-10-30 理论教育版权反馈

【摘要】：Gartner公司在2018年和2019年十大战略性科技发展趋势中将数字孪生作为时下重要技术之一，其对数字孪生描述为：数字孪生是现实世界实体或系统的数字化表现。Gartner公司认为，一个数字孪生概念至少需要四个要素：数字模型、关联数据、身份识别和实时监测功能。

随着云计算、物联网、大数据等互联网技术（internet technology，IT），以及人工智能等智能技术的持续发展和深化应用，各行各业贯彻加快建设制造强国，加快发展先进制造业，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合。国防军工企业进入以智慧（或智能）为标志的数字化转型阶段。数字化转型将通过数字技术与工业技术的融合来推动产品设计、工艺、制造、测试、交付、运维全环节的产品研制创新，通过数字技术与管理技术的融合来推动计划、进度、经费、合同、人员、财务、资源、交付、服务和市场全链条的企业管理创新。数字孪生作为重要的支撑理论和技术得到更多关注与认可。

数字孪生概念在发展历程中随着认识深化经历了三个主要阶段。

1.1.1　数字样机概念

数字样机是数字孪生的最初形态。数字样机概念是对机械产品整机或具有独立功能的子系统的数字化描述。通过这种描述反映产品对象的几何属性，以及产品的功能和性能特性。在产业实践中，数字样机首先在设计阶段被定义为数字化产品定义（digital product definition，DPD），通过DPD来表达产品的设计信息，构建表征物理客体的数字化模型。此时的DPD因限定于产品定义阶段，所以对物理客体的全生命周期信息表达不全面，尤其是制造阶段和服务阶段的定义表达与应用管理问题日益突出。

1.1.2　狭义的数字孪生概念

因DPD存在对产品全生命周期信息表述不全面的问题，美国密歇根大学的Michael Grieves教授于2003年提出数字孪生的概念。此时的数字孪生统称为狭义数字孪生，其定义对象就是产品及产品全生命周期的数字，数字孪生是对实体对象或过程的数字化表征。Michael Grieves将数字孪生定位为一套从微观原子级到宏观几何级全面描述潜在生产或者实际制造产品的虚拟信息结构［1］。由此可以看出数字孪生的概念首次在定义对象中明确为产品，在定义内容方面，从产品的设计阶段扩展到产品全生命周期。通过数字样机的概念延伸和扩展，实现对物理产品全生命周期信息的数字化描述，并有效管控产品全生命周期的数据信息［2］。(www.chuimin.cn)

1.1.3　广义的数字孪生概念

广义的数字孪生在定义对象方面进行了较大延伸，从产品扩展到产品之外的更广泛领域。数字孪生，也叫作数字镜像、数字双胞胎、数字映射。数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，为物理实体增加或扩展新的能力［3］。数字孪生在面向产品全生命周期过程中，作为一种充分利用数据、模型、智能并集成多学科的技术，发挥着连接物理世界和信息世界的桥梁和纽带作用，提供更加实时、高效、智能的服务。Gartner公司在2018年和2019年十大战略性科技发展趋势中将数字孪生作为时下重要技术之一，其对数字孪生描述为：数字孪生是现实世界实体或系统的数字化表现。由此可见，数字孪生成为任一信息系统或数字化系统的总称。

数字孪生是现实世界中物理实体的配对虚拟体（映射）。这个物理实体（或资产）可以是一个设备或产品、生产线、流程、物理系统，也可以是一个组织。数字孪生的概念是通过三维图形软件构建的“软体”映射现实中的物体来实现的。这种映射通常是一个多维动态的数字映射，它依赖安装在物体上的传感器或模拟数据来洞察和呈现物体的实时状态，同时也将承载指令的数据回馈到物体，最终导致状态变化。可以说，数字孪生是现实世界和数字虚拟世界沟通的桥梁。

一个描述钟摆轨迹的方程式通过编程形成的模型，它是一个钟摆的数字孪生吗？不是。因为它只描述了钟摆的理想模型（例如真空无阻力），却没有记录它的真实运动情况。只有把钟摆在空气中的运动状态、风的干扰、齿轮的损耗等情况通过传感器和数据馈送实时输入到模型后，这个描述钟摆的模型，才真正成了钟摆的数字孪生。

Gartner公司认为，一个数字孪生概念至少需要四个要素：数字模型、关联数据、身份识别和实时监测功能。数字孪生体现了软件、硬件和物联网回馈的机制。运行实体的数据是数字孪生的营养液输送线。反过来，很多模拟或指令信息可以从数字孪生输送到实体，以达到诊断或者预防的目的。这是一个双向进化的过程。

数字孪生：概念与应用

相关推荐