一文看懂數字孿生—概述

內參來源：中國電子技術標準化研究院

本文截取自：《數字孿生白皮書2020》

作者：趙 波 等

數字孿生概述

一、 數字孿生發展背景

「孿生」的概念起源於美國國家航空航天局的「阿波羅計劃」，即構建兩個相同的航天飛行器，其中一個發射到太空執行任務，另一個留在地球上用於反映太空中太空飛行器在任務期間的工作狀態，從而輔助工程師分析處理太空中出現的緊急事件。當然，這裡的兩個太空飛行器都是真實存在的物理實體 。

2003 年前後， 關於數字孿生（ Digital Twin） 的設想首次出現於Grieves 教授在美國密西根大學的產品全生命周期管理課程上。但是，當時「Digital Twin」一詞還沒有被正式提出， Grieves 將這一設想稱為「Conceptual Ideal for PLM（ Product Lifecycle Management）」，如下圖所示。儘管如此，在該設想中數字孿生的基本思想已經有所體現，即在虛擬空間構建的數字模型與物理實體交互映射，忠實地描述物理實體全生命周期的運行軌跡 。

▲PLM 中的概念設想

直到 2010 年，「Digital Twin」一詞在 NASA 的技術報告中被正式提出，並被定義為「集成了多物理量、多尺度、多概率的系統或飛行器仿真過程」。2011 年，美國空軍探索了數字孿生在飛行器健康管理中的應用，並詳細探討了實施數字孿生的技術挑戰。2012 年，美國國家航空航天局與美國空軍聯合發表了關於數字孿生的論文，指出數字孿生是驅動未來飛行器發展的關鍵技術之一。在接下來的幾年中，越來越多的研究將數字孿生應用於航空航天領域，包括機身設計與維修，飛行器能力評估，飛行器故障預測等 。

▲數字孿生行業應用

近年來，數字孿生得到越來越廣泛的傳播。同時，得益於物聯網、大數據、雲計算、人工智慧等新一代信息技術的發展，數字孿生的實施已逐漸成為可能。現階段，除了航空航天領域，數字孿生還被應用於電力、船舶、城市管理、農業、建築、製造、石油天然氣、健康醫療、環境保護等行業，如上圖所示。特別是在智能製造領域，數字孿生被認為是一種實現製造信息世界與物理世界交互融合的有效手段。許多著名企業（如空客、洛克希德馬丁、西門子等）與組織（如 Gartner、德勤、中國科協智能製造協會）對數字孿生給予了高度重視，並且開始探索基於數字孿生的智能生產新模式 。

二、 數字孿生的定義及典型特徵

標準化組織中的定義：數字孿生是具有數據連接的特定物理實體或過程的數位化表達，該數據連接可以保證物理狀態和虛擬狀態之間的同速率收斂，並提供物理實體或流程過程的整個生命周期的集成視圖，有助於優化整體性能。

學術界的定義：數字孿生是以數位化方式創建物理實體的虛擬實體，藉助歷史數據、實時數據以及算法模型等，模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程的技術手段 。

從根本上講，數字孿生可以定義為有助於優化業務績效的物理對象或過程的歷史和當前行為的不斷發展的數字資料。數字孿生模型基於跨一系列維度的大規模，累積，實時，真實世界的數據測量 。

企業的定義：數字孿生是資產和流程的軟體表示，用於理解、預測和優化績效以實現改善的業務成果。數字孿生由三部分組成：數據模型，一組分析或算法，以及知識 。

數字孿生公司早已在行業中立足，它在整個價值鏈中革新了流程。作為產品，生產過程或性能的虛擬表示，它使各個過程階段得以無縫連結。這可以持續提高效率，最大程度地降低故障率，縮短開發周期，並開闢新的商機：換句話說，它可以創造持久的競爭優勢 。

從數字孿生的定義可以看出，數字孿生具有以下幾個典型特點：

1、互操作性 ：數字孿生中的物理對象和數字空間能夠雙向映射、動態交互和實時連接，因此數字孿生具備以多樣的數字模型映射物理實體的能力，具有能夠在不同數字模型之間轉換、合併和建立「表達」的等同性 。

2、可擴展性 ：數字孿生技術具備集成、添加和替換數字模型的能力，能夠針對多尺度、多物理、多層級的模型內容進行擴展。

3、實時性 ：數字孿生技術要求數位化，即以一種計算機可識別和處理的方式管理數據以對隨時間軸變化的物理實體進行表徵。表徵的對象包括外觀、狀態、屬性、內在機理，形成物理實體實時狀態的數字虛體映射。

4、保真性 」：數字孿生的保真性指描述數字虛體模型和物理實體的接近性。要求虛體和實體不僅要保持幾何結構的高度仿真，在狀態、相態和時態上也要仿真。值得一提的是在不同的數字孿生場景下，同一數字虛體的仿真程度可能不同。例如工況場景中可能只要求描述虛體的物理性質，並不需要關注化學結構細節 。

5、 閉環性 ：數字孿生中的數字虛體，用於描述物理實體的可視化模型和內在機理，以便於對物理實體的狀態數據進行監視、分析推理、優化工藝參數和運行參數，實現決策功能，即賦予數字虛體和物理實體一個大腦。因此數字孿生具有閉環性 。

三、 數字孿生與其他技術的區別

數字孿生與仿真（Simulation）的區別 ：仿真技術是應用仿真硬體和仿真軟體通過仿真實驗，藉助某些數值計算和問題求解，反映系統行為或過程的模型技術，是將包含了確定性規律和完整機理的模型轉化成軟體的方式來模擬物理世界的方法，目的是依靠正確的模型和完整的信息、環境數據，反映物理世界的特性和參數。仿真技術僅僅能以離線的方式模擬物理世界，不具備分析優化功能，因此不具備數字孿生的實時性、閉環性等特徵 。

數字孿生需要依靠包括仿真、實測、數據分析在內的手段對物理實體狀態進行感知、診斷和預測，進而優化物理實體，同時進化自身的數字模型。仿真技術作為創建和運行數字孿生的核心技術，是數字孿生實現數據交互與融合的基礎。在此基礎之上，數字孿生必需依託併集成其他新技術，與傳感器共同在線以保證其保真性、實時性與閉環性。

數字孿生與信息物理系統（CPS）的區別 ：數字孿生與 CPS 都是利用數位化手段構建系統為現實服務。其中，CPS 屬於系統實現，而數字孿生側重於模型的構建等技術實現。CPS 是通過集成先進的感知、計算、通信和控制等信息技術和自動控制技術，構建了物理空間與虛擬空間中人、機、物、環境和信息等要素相互映射、適時交互、高效協同的複雜系統，實現系統內資源配置和運行的按需響應、快速迭代和動態優化 。

相比於綜合了計算、網絡、物理環境的多維複雜系統 CPS，數字孿生的構建作為建設 CPS 系統的使能技術基礎，是 CPS 具體的物化體現。數字孿生的應用既有產品、也有產線、工廠和車間，直接對應 CPS 所面對的產品、裝備和系統等對象。數字孿生在創立之初就明確了以數據、模型為主要元素構建的基於模型的系統工程，更適合採用人工智慧或大數據等新的計算能力進行數據處理任務 。

數字孿生與數字主線（Digital Thread）的區別 ：數字主線被認為是產品模型在各階段演化利用的溝通渠道，是依託於產品全生命周期的業務系統，涵蓋產品構思、設計、供應鏈、製造、售後服務等各個環節。在整個產品的生命周期中，通過提供訪問、整合以及將不同 / 分散數據轉換為可操作性信息的能力來通知決策制定者。

數字主線也是一個允許可連接數據流的通信框架，並提供一個包含生命周期各階段功能的集成視圖。數字主線有能力為產品數字孿生提供訪問、整合和轉換能力，其目標是貫通產品生命周期和價值鏈，實現全面追溯、信息交互和價值鏈協同。由此可見，產品的數字孿生是對象、模型和數據， 而數字主線是方法、通道、連結和接口。

簡單地說，在數字孿生的廣義模型之中，存在著彼此具有關聯的小模型。數字主線可以明確這些小模型之間的關聯關係並提供支持。因此，從全生命周期這個廣義的角度來說，數字主線是屬於面向全生命周期的數字孿生的 。

數字孿生和資產管理殼（Asset administration Shell）的區別 ：出自工業 4.0 的資產管理殼，是德國自工業 4.0 組件開始，發展起來的一套描述語言和建模工具，從而使得設備、部件等企業的每一項資產之間可以完成互聯互通與互操作。藉助其建模語言、工具和通訊協議，企業在組成生產線的時候，可具備通用的接口，即實現「即插即用」性，大幅度降低工程組態的時間，更好地實現系統之間的互操作性 。

自數字孿生和資產管理殼的問世以來，更多的觀點是視二者為美國和德國的工業文化不同的體現。實際上，相較於資產管理殼這樣一個起到管控和支撐作用的「管家」，數字孿生如同一個「執行者」，從設計、模型和數據入手，感知並優化物理實體，同時推動傳感器、設計軟體、物聯網、新技術的更新迭代。但是，基於這兩者在技術實現層次上比較相近，德國目前也正努力在把資產管理殼轉變為支撐數字孿生的基礎技術。

來源：人工智慧學家

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原標題：《一文看懂數字孿生—概述》

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