数字孪生概念与展望

　　（一）数字孪生概念
　　百度百科中的数字孪生（DigitalTwin）1定义，是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。这个定义基本上道出了数字孪生的本质是基于物联网、传感器、模型、数据、映射、仿真多学科技术的集成应用，核心要解决的是设备全生命周期的管理。从这个定义也可以看出，数字孪生最初是基于设备全生命周期管理场景提出的，着眼点是物理设备的数字化。将这个概念进一步泛化，可以将物理世界的人、物、事件等所有要素数字化，在网络空间再造一个一一对应的虚拟世界，物理世界和虚拟世界同生共存、虚实交融，万物皆可数字孪生。
　　数字孪生的概念示意图如下所示：
　　数字孪生概念示意（二）数字孪生起源
　　数字孪生最初源于2003年由Grieves教授在美国密歇根大学产品生命周期管理课程上提出的与物理产品等价的虚拟数字化表达的概念，当时被称作镜像空间模型，其定义为包括实体产品、虚拟产品及两者之间连接的三维模型（Grieves，2005），但是直到2011年，Grieves教授才在书中明确应用了数字孪生体一词（Grieves，2011）。
　　数字孪生技术早期主要被应用在军工及航空航天领域。2010年，美国国家航空航天局（NASA）在太空技术路线图中首次引入数字孪生的概念，开展了飞行器健康管控应用；2011年，美国空军研究实验室（AFRL）明确提出面向未来飞行器的数字孪生体规范，指出要基于飞行器的高保真仿真模型、历史数据和实时传感器数据构建飞行器的完整虚拟映射，以实现对飞行器健康状态、剩余寿命及任务可达性的预测（Tuegel，Ingraffea，Eason，etal，2011）；美国洛克希德马丁公司将数字孪生引入到F35战斗机生产过程中，用于改进工艺流程，提高生产效率与质量（孟松鹤，叶雨玫，杨强，等，2020）。
　　2006年，美国国家科学基金会（NSF）的HelenGill用信息物理系统（Cyberphysicalsystem，CPS）一词来描述传统的IT术语无法有效说明的日益复杂的系统。通过计算、通信和控制（3C）的集成和协作，CPS提供实时传感、信息反馈、动态控制等服务，通过这种方式，信息世界与物理过程高度集成和实时交互，以便以可靠、安全、协作、稳健和高效的方式监控物理实体。CPS更多被定义为计算和物理过程的集成，已经成为工业互联网和工业4。0的核心概念。数字孪生是构建和实现CPS的必要基础，可以提供更加直观和有效的手段，通过状态传感、实时分析、科学决策和精确执行的闭环促进智能制造的发展（陶飞，戚庆林，王力翚，等，2019）。
　　中国信息通信研究院认为数字孪生城市是新型智慧城市建设的起点，是城市实现智慧的重要设施和基础能力，是城市信息化从量变走向质变的里程碑2，并从2018年开始每年发布数字孪生城市研究报告（白皮书），极大的推进了数字孪生城市的概念被广泛接受。数字孪生城市的提出，也让数字孪生从小尺度的工业设备场景演进到了大尺度的城市复杂场景。
　　Gartner自2016年起连续多年将数字孪生列为未来十大战略技术之一。Gartner认为数字孪生体是物理世界实体或系统的数字代表，在物联网背景下连接物理世界实体，提供相应实体状态信息，对变化做出响应，改进操作，增加价值。由于数字孪生具备虚实融合与实时交互、迭代运行与优化、以及全要素全流程全业务数据驱动等特点，目前已被应用到产品生命周期各个阶段，包括产品设计、制造、服务与运维等。未来世间万物都将拥有其数字孪生体，并且通过物联网彼此关联，创造出巨大的价值。（三）数字孪生五维模型
　　数字孪生的首要任务是创建应用对象的数字孪生模型。Grieves教授最初定义了数字孪生三维模型，即物理实体、虚拟实体及二者间的连接。北京航空航天大学数字孪生技术研究所在数字孪生三维模型的基础上，增加了孪生数据和服务两个新维度，使数据孪生可以进一步在更多领域落地应用：
　　MDT（PE，VE，Ss，DD，CN）
　　其中：PE表示物理实体，VE表示虚拟实体，Ss表示服务，DD表示孪生数据，
　　CN表示各组成部分间的连接。
　　根据上式，数字孪生五维模型结构如下图所示：
　　数字孪生五维模型
　　1、物理实体（PE）
　　物理实体是数字孪生五维模型的基础，主要包括各子系统具备不同的功能，共同支持设备的运行以及传感器采集设备和环境数据。对物理实体的准确分析与有效维护是建立数字孪生模型的前提。
　　2、虚拟实体（VE）
　　虚拟实体模型包括几何模型、物理模型、行为模型和规则模型，从多时间尺度、多空间尺度对物理实习进行描述和刻画，形成对物理实体的完整映射。可使用VR与AR技术实现虚拟实体与物理实体虚实叠加及融合显示，增强虚拟实体的沉浸性、真实性及交互性。
　　3、服务（Ss）
　　服务对数字孪生应用过程中面向不同领域、不同层次用户、不同业务所需的各类数据、模型、算法、仿真、结果等进行服务化封装，并以应用软件或移动端App的形式提供给用户，实现对服务的便捷与按需使用。
　　4、孪生数据（DD）
　　孪生数据是数字孪生的驱动，集成融合了信息数据与物理数据，满足信息空间与物理空间的一致性与同步性需求，能提供更加准确、全面的全要素全流程全业务数据支持。
　　5、连接（CN）
　　连接模型包括连接使物理实体、虚拟实体、服务在运行中保持交互、一致与同步以及连接使物理实体、虚拟实体、服务产生的数据实时存入孪生数据，并使孪生数据能够驱动三者运行。（四）数字孪生与数字经济
　　2020年4月10日，国家发展改革委和中央网信办联合发布《关于推进上云用数赋智行动培育新经济发展实施方案》，将数字孪生提到了与大数据、人工智能、5G等并列的高度，成为新的数字化基础设施。
　　2021年3月，国家《十四五规划纲要》明确提出要探索建设数字孪生城市，为数字孪生城市建设提供了国家战略指引。此后，国家陆续印发了不同领域的十四五规划，为各领域如信息技术、工业生产、建筑工程、水利应急、综合交通、能源安全、城市发展等如何利用数字孪生技术促进高质量发展做出了战略部署。
　　2022年1月，国务院印发的《十四五数字经济发展规划》中指出：数字经济是继农业经济、工业经济之后的主要经济形态，是以数据资源为关键要素，以现代信息网络为主要载体，以信息通信技术融合应用、全要素数字化转型为重要推动力，促进公平与效率更加统一的新经济形态。数字经济正在推动生产方式、生活方式和治理方式的深刻变革，成为重组全球要素资源、重塑全球经济结构、改变全球竞争格局的关键力量。发展数字经济是把握新一轮科技革命和产业变革新机遇的战略选择。
　　数字经济可以分为产业数字化和数字产业化。产业数字化方面，要加快重点行业数字化转型提升工程，发展智慧农业和智慧水利，开展工业数字化转型应用示范，加快推动工业互联网创新发展，提升商务一领域数字化水平，大力发展智慧物流，加快金融、能源等领域的数字化转型；数字产业化方面，要增加关键技术创新能力，补齐关键技术短板，强化优势技术供给，抢先布局前沿技术融合创新。要提升核心产业竞争力，加快培育新业态新模式。
　　数字孪生技术无疑是符合数字产业化趋势的前沿和关键数字技术，也是新型智慧城市和数字乡村建设、产业园区数字化建设、工业数字化转型、新型智慧水利建设、能源数字化升级等各个重点产业数字化领域应用融合创新的基础设施之一。
　　【来源：数字孪生世界企业联盟】