隨著信息通信技術(shù)的發(fā)展與成熟，物聯(lián)網(wǎng)、智聯(lián)網(wǎng)等高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，掀起了以信息革命為核心的新技術(shù)革命浪潮。例如美國的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”、德國的“工業(yè)4.0”、“中國制造2050”等，數(shù)字智能化的興起讓數(shù)字孿生作為一種前沿技術(shù)，引起了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。
一、數(shù)字孿生的內(nèi)涵
數(shù)字孿生(Digital twin，DT)是一種實(shí)現(xiàn)物理系統(tǒng)向信息空間數(shù)字化模型映射的關(guān)鍵技術(shù)，它通過充分利用布置在系統(tǒng)各部分的傳感器，對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與建模，形成多學(xué)科、多物理量、多時(shí)間尺度、多概率的仿真過程，將物理系統(tǒng)在不同真實(shí)場景中的全生命周期過程反映出來。借助于各種高性能傳感器和高速通信，數(shù)字孿生可以通過集成多維物理實(shí)體的數(shù)據(jù)，輔以數(shù)據(jù)分析和仿真模擬，近乎實(shí)時(shí)地呈現(xiàn)物理實(shí)體的實(shí)際情況，并通過虛實(shí)交互接口對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行控制。
數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)實(shí)的概念，可以被視為一個(gè)或多個(gè)重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。在“數(shù)字孿生”中，雙胞胎中的一個(gè)是存在于現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體，小到零件，大到工廠，簡單如螺絲，復(fù)雜如人體的結(jié)構(gòu)。數(shù)字孿生的基本概念模型如圖所示，它主要由三部分組成：1)物理空間的物理實(shí)體；2)虛擬空間的虛擬實(shí)體；3)虛實(shí)之間的連接數(shù)據(jù)和信息。就數(shù)字孿生的概念而言，目前仍沒有被普遍接受的統(tǒng)一定義。
數(shù)字孿生概念模型
數(shù)字孿生技術(shù)是從仿真技術(shù)發(fā)展而來的。仿真技術(shù)在上個(gè)世紀(jì)就已經(jīng)大規(guī)模使用，而數(shù)字孿生技術(shù)的概念直到2002年才由美國Grieves教授提出。在Gartner每年公布的十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢中，數(shù)字孿生技術(shù)作為智能制造的關(guān)鍵技術(shù)之一連續(xù)多年名列榜單。
數(shù)字孿生發(fā)展歷程
二、數(shù)字孿生如何數(shù)字化真實(shí)場景
若是以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為例，要檢修一臺(tái)大型設(shè)備，現(xiàn)實(shí)世界需要考慮停工的損益、設(shè)備的復(fù)雜構(gòu)造等等問題，再安排人員進(jìn)行實(shí)地的排查檢測。毋容置疑，這是一個(gè)“重工程”。如果，我們可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生，檢測人員即可通過對(duì)“數(shù)字孿生體”的數(shù)據(jù)反饋，即可判斷現(xiàn)實(shí)實(shí)體設(shè)備的情況，完成排查檢修的目的。甚至在這個(gè)過程，都不需要停工，輕松完成。
從數(shù)字角度看，數(shù)字孿生或者數(shù)字孿生體，是制造業(yè)信息化長期發(fā)展形成的事物，如果從內(nèi)涵來看，它是賽博世界聯(lián)接物理世界的一個(gè)橋梁，它是數(shù)字形態(tài)的這樣一種傳承；從實(shí)質(zhì)上來看，就是前面講的“數(shù)據(jù)+模型+軟件”，最后形成了基于數(shù)字體驗(yàn)而去優(yōu)化物理產(chǎn)品這樣一種通用技術(shù)。
許多數(shù)字孿生模型始于實(shí)景建模和無人機(jī)勘測。對(duì)施工現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)字化表示有助于實(shí)現(xiàn)可視化，同時(shí)又可與沉浸式用戶體驗(yàn)相結(jié)合，更直觀地了解環(huán)境。在規(guī)劃階段，數(shù)字孿生模型可用于論證可施工性和對(duì)施工工序及物流建模。這是一種非常受歡迎的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用，通常涵蓋了真實(shí)的現(xiàn)場條件和不斷變化的設(shè)備和材料的位置。還可以從中清晰地看到數(shù)字化工作交接所創(chuàng)造的價(jià)值，因?yàn)楣こ填檰栐谖锢碣Y產(chǎn)之外還交付了數(shù)字資產(chǎn)。通常，無紙化工作交接要高效得多，從而使運(yùn)營就緒程度創(chuàng)出新高，提高了投資回報(bào)率。
舉例來說，2019年4月15日，巴黎圣母院發(fā)生大火，塔樓倒塌、建筑受損。人們都關(guān)心巴黎圣母院能完好修復(fù)嗎？巴黎圣母院發(fā)生大火是不幸的，但幸運(yùn)的是，數(shù)字的世界里，人們依然完整地保留了它的壯麗！2015年達(dá)索系統(tǒng)公司與巴黎市政府合作“數(shù)字巴黎”項(xiàng)目，通過數(shù)字化建模、仿真，完整地還原了巴黎古城的建造過程，真實(shí)還原了巴黎圣母院的原貌和幾百年的建造過程，在數(shù)字世界中再現(xiàn)了一塊磚、一扇門、一扇窗的安裝過程，數(shù)字孿生將會(huì)讓巴黎圣母院獲得重生。
巴黎建造過程復(fù)原
三維數(shù)字技術(shù)替代了鉛垂、紙筆的測量勾描，激光掃描捕獲相同三維空間的相同位置，拍攝球形全景照片，再將照片映射到激光產(chǎn)生的掃描點(diǎn)上，每個(gè)點(diǎn)成為照片中該位置的像素的顏色，累計(jì)創(chuàng)建大教堂三維圖像，可精確到5毫米！超過10億個(gè)點(diǎn)的“point cloud（點(diǎn)云）”數(shù)據(jù)，再加上光影效果，變成了逼真的建筑模型。讓人們可以清楚看到大教堂的全貌，也能夠幫助人們對(duì)大教堂進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。
“數(shù)字巴黎”項(xiàng)目把這座城市從零開始的歷史時(shí)空連續(xù)地在數(shù)字世界呈現(xiàn)出來，重現(xiàn)了巴黎城市和文明的歷史，人們就可以在數(shù)字世界中實(shí)現(xiàn)時(shí)空穿越和體驗(yàn)，通過沉浸式的體驗(yàn)來學(xué)習(xí)和傳承人類的歷史與文明。
從孿生角度看，從“生物場景/物理場景”的“Twin”，引申到“數(shù)字化場景”的“Digital Twin”，其本意是強(qiáng)調(diào)在數(shù)字空間構(gòu)建的數(shù)字虛體與物理空間的物理實(shí)體非常相像。但是，相像歸相像，無論彼此多么像，二者也不是“是”“等于”或“相等”的關(guān)系，因?yàn)楸痉峭椿蛲?，一個(gè)數(shù)字虛體無論多么像一個(gè)物理實(shí)體，它也不是物理實(shí)體，這個(gè)客觀事實(shí)必須界定清楚。“Digital Twin”描述的“相像”，通常都僅僅是指數(shù)字虛體和物理實(shí)體在外觀和宏觀結(jié)構(gòu)上的“相像”，而從形、態(tài)、質(zhì)地、行為和發(fā)展規(guī)律等多方面的評(píng)價(jià)指標(biāo)來看，其實(shí)差異極大，本質(zhì)本源不同。
舉一個(gè)很直觀的例子，未來的每一輛汽車都會(huì)在數(shù)字世界擁有一個(gè)和其相對(duì)應(yīng)的“雙胞胎”，基于高實(shí)時(shí)性的物理數(shù)據(jù)采集，這個(gè)“數(shù)字化雙胞胎”可以準(zhǔn)確地模擬并呈現(xiàn)出這輛真實(shí)汽車的各方面狀態(tài)，比如速度、位置、載重量以及各主要部件的工作狀態(tài)和維護(hù)程度等。
當(dāng)用戶及其使用的各種APP、車企服務(wù)部門乃至交通管理部門出于各自的需求，需要調(diào)取這輛汽車的相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，不難想象，他們不必每次都直接從車輛上的終端傳感器去調(diào)用數(shù)據(jù)，而只需從“數(shù)字化雙胞胎”上去讀取指定的數(shù)據(jù)即可，因?yàn)榇藭r(shí)的“數(shù)字化雙胞胎”就代表了真實(shí)汽車的唯一準(zhǔn)確狀態(tài)，這將大大減少對(duì)數(shù)據(jù)的重復(fù)采集和傳輸，從而減輕由此帶來的額外系統(tǒng)負(fù)擔(dān)、協(xié)議和成本。如果將這一場景擴(kuò)展到數(shù)據(jù)量更加龐大的工業(yè)場合，實(shí)現(xiàn)的改善將更為可觀。此外，以“數(shù)字化雙胞胎”作為真實(shí)商品、設(shè)備、產(chǎn)線與外界交換數(shù)據(jù)的唯一界面，也有利于對(duì)數(shù)據(jù)讀取和應(yīng)用的權(quán)限進(jìn)行有效的設(shè)置和管理。
三、數(shù)字孿生的支撐技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域
“Digital Twin”一詞在翻譯和理解時(shí)，既不應(yīng)限定在“雙”，也不宜理解為“胎”。該詞借用“Twin”之意，所表達(dá)的是一種數(shù)字虛體與物理實(shí)體非常相像的多元化虛實(shí)映射關(guān)系。
1、技術(shù)層面
數(shù)字孿生迅速成為熱潮，源于數(shù)字化設(shè)計(jì)、虛擬仿真和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）等關(guān)鍵使能技術(shù)的蓬勃發(fā)展與交叉融合。
數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)從早期的二維設(shè)計(jì)發(fā)展到三維建模，從三維線框造型進(jìn)化到三維實(shí)體造型、特征造型，產(chǎn)生了諸如直接建模、同步建模、混合建模等技術(shù)，以及面向建筑與施工行業(yè)的BIM技術(shù)（建筑信息模型）。三維建模技術(shù)不光用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，并且可以實(shí)現(xiàn)三維工藝設(shè)計(jì)。產(chǎn)品的三維模型中不僅包括幾何信息、裝配關(guān)系，還包括PMI（產(chǎn)品制造信息，包括尺寸、公差、形位公差、粗糙度和材料規(guī)格等信息）等制造信息，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)MBD（基于模型的產(chǎn)品定義）。
為了支持產(chǎn)品三維模型的快速瀏覽，可以從包含三維工藝特征的完整三維特征模型中，抽取出僅包括幾何信息的輕量化三維模型?；谌S造型和三維顯示技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）取得了蓬勃發(fā)展，廣泛用于汽車、飛機(jī)、工廠等復(fù)雜對(duì)象的虛擬體驗(yàn)，包括沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)Cave，用于產(chǎn)品展示和市場推廣的三維渲染技術(shù)，以及基于視景仿真的模擬駕駛技術(shù)等。近年來又發(fā)展起來增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR)，其特點(diǎn)是可以將實(shí)物模型和數(shù)字化模型融合在一個(gè)可視化環(huán)境之中，從而實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的可視化，還可以進(jìn)行產(chǎn)品操作、裝拆及維修過程的三維可視化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品操作培訓(xùn)、維修維護(hù)等應(yīng)用。
虛擬仿真技術(shù)從早期的有限元分析發(fā)展到對(duì)流場、熱場、電磁場等多個(gè)物理場的仿真，多領(lǐng)域物理建模，對(duì)振動(dòng)、碰撞、噪聲、爆炸等各種物理現(xiàn)象的仿真，對(duì)產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)仿真，及材料力學(xué)、彈性力學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，對(duì)產(chǎn)品長期使用的疲勞仿真，對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的系統(tǒng)仿真，以及針對(duì)注塑、鑄造、焊接、折彎和沖壓等各種加工工藝的仿真，以及裝配仿真，幫助產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)整體性能最優(yōu)的多學(xué)科仿真與優(yōu)化，針對(duì)數(shù)控加工和工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真（其中數(shù)控仿真又可以分為僅仿真刀具軌跡，以及仿真整個(gè)工件、刀具和數(shù)控裝備的運(yùn)動(dòng)），還有面向工廠的設(shè)備布局、產(chǎn)線、物流和人因工程仿真。如果從仿真的對(duì)象來區(qū)分，虛擬仿真技術(shù)可以分為產(chǎn)品性能仿真、制造工藝仿真和數(shù)字化工廠仿真。
在數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)發(fā)展和集成應(yīng)用的過程中，產(chǎn)生了Digital Mockup（DMU，數(shù)字原型）、Digital Prototyping（數(shù)字樣機(jī)）、Virtual Prototype（虛擬樣機(jī)）、Functional Virtual Prototype（全功能虛擬樣機(jī)）等技術(shù)，主要是用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)仿真、裝配仿真和性能仿真。通過對(duì)數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，可以減少物理樣機(jī)和物理試驗(yàn)的數(shù)量，從而降低產(chǎn)品研發(fā)和試制成本，提高研發(fā)效率。
另一方面，隨著傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，二十一世紀(jì)以來，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用越來越廣。除在消費(fèi)領(lǐng)域應(yīng)用之外，為了支持高價(jià)值工業(yè)設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)控和維修維護(hù)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）開始受到業(yè)界廣泛關(guān)注。IIOT采集的數(shù)據(jù)類型和采集頻率比普通的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用高得多，而應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型和分析方法也比普通的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用復(fù)雜得多。
從數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展背景可以看出，數(shù)字孿生模型是相對(duì)于其物理模型而言的?？梢韵冉?shù)字孿生模型，應(yīng)用數(shù)字孿生模型來進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，但最終還是要建立物理模型，通過對(duì)數(shù)字孿生的分析，來優(yōu)化物理模型的運(yùn)行。
除了上述技術(shù)，工業(yè)大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)也是數(shù)字孿生的關(guān)鍵使能技術(shù)。需要強(qiáng)調(diào)的是，數(shù)字孿生的關(guān)鍵使能技術(shù)在數(shù)字孿生誕生之前就已經(jīng)存在。而數(shù)字孿生的應(yīng)用，又促進(jìn)了這些關(guān)鍵使能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
2、應(yīng)用領(lǐng)域
數(shù)字孿生提出初期主要面向軍工及航空航天領(lǐng)域需求，近年逐步向民用領(lǐng)域拓展。數(shù)字孿生在電力、汽車、醫(yī)療、船舶等11個(gè)領(lǐng)域均有報(bào)道與應(yīng)用需求，且市場前景廣闊。
以數(shù)字孿生城市為例，城市是一個(gè)開放龐大的復(fù)雜系統(tǒng)，具有人口密度大，基礎(chǔ)設(shè)施密集，子系統(tǒng)耦合等特點(diǎn)。如何實(shí)現(xiàn)對(duì)城市各類數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控，圍繞城市的頂層設(shè)計(jì)、規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)營、安全、民生等多方面對(duì)城市進(jìn)行高效管理，是現(xiàn)代城市建設(shè)的核心。如圖所示，借助數(shù)字孿生技術(shù)，參照數(shù)字孿生五維模型，構(gòu)建數(shù)字孿生城市，將極大改變城市面貌，重塑城市基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)城市管理決策協(xié)同化和智能化，確保城市安全、有序運(yùn)行。
（1）物理城市。通過在城市天空、地面、地下、河道等各層面的傳感器布設(shè)，可對(duì)城市運(yùn)行狀態(tài)的充分感知、動(dòng)態(tài)監(jiān)測。
（2）虛擬城市。通過數(shù)字化建模建立物理城市相對(duì)應(yīng)的虛擬模型，虛擬城市可模擬城市中的人、事、物、交通、環(huán)境等全方位事物在真實(shí)環(huán)境下的行為。
（3）城市大數(shù)據(jù)。城市基礎(chǔ)設(shè)施、交通、環(huán)境活動(dòng)的各類痕跡、虛擬城市的模擬仿真以及各類智能城市服務(wù)記錄等匯聚成城市大數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生城市發(fā)展和優(yōu)化。
（4）虛實(shí)交互。城市規(guī)劃、建設(shè)以及民眾的各類活動(dòng)，不但存在于物理空間，而且在虛擬空間得到極大擴(kuò)充。虛實(shí)交互、協(xié)同與融合將定義城市未來發(fā)展新模式。
（5）智能服務(wù)。通過數(shù)字孿生，對(duì)城市進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)，指引和優(yōu)化物理城市的市政規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境治理、交通管控，改善市民服務(wù)，賦予城市生活“智慧”。
此外，從國外比較具有代表性的探索來看，新加坡政府已經(jīng)與達(dá)索合作，致力于建立一個(gè)數(shù)字孿生城市，用來監(jiān)控城市中從公交車站到建筑物的一切，從而借助數(shù)字孿生城市實(shí)現(xiàn)對(duì)城市的圖形化監(jiān)控、仿真優(yōu)化、規(guī)劃決策等功能。數(shù)字孿生技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智慧城市的有效技術(shù)手段，借助數(shù)字孿生城市，可以提升城市規(guī)劃質(zhì)量和水平，推動(dòng)城市設(shè)計(jì)和建設(shè)，輔助城市管理和運(yùn)行，讓城市生活與環(huán)境變得更好。
隨著傳統(tǒng)的建模仿真技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)的進(jìn)一步融合，數(shù)字孿生的價(jià)值和作用將會(huì)得到更大的體現(xiàn)，數(shù)字孿生將會(huì)在更多領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用。未來，無論在制造、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域都將探索建立起一套與物理空間實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)的運(yùn)行體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)制造流程、建筑結(jié)構(gòu)、醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)、城市管理等方面資源優(yōu)化配置。基于“物理實(shí)體+數(shù)字孿生”的資源優(yōu)化配置體系將成為數(shù)字化發(fā)展的終極模式。
四、總結(jié)
新一代信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，引發(fā)傳統(tǒng)制造、生產(chǎn)模式的變革。數(shù)字孿生作為新的前沿技術(shù)，以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，在智能制造、智慧城市建設(shè)等方面都將發(fā)揮較大的推動(dòng)作用。過去幾十年數(shù)據(jù)量的爆炸式增長，意味著物理世界的數(shù)字孿生不斷完善。未來，物理世界的數(shù)字鏡像將從分時(shí)到實(shí)時(shí)、從宏觀到微觀不斷完善，形成一個(gè)完整的數(shù)字孿生。其作用從輔助人類進(jìn)行物理世界的改造，進(jìn)化到?jīng)Q定物理世界改造，甚至創(chuàng)造超越人類想象的新世界。
