數(shù)字孿生與仿真的區(qū)別「數(shù)字孿生應用」

一、數(shù)字孿生發(fā)展背景

“孿生”的概念起源于美國國家航空航天局的“阿波羅計劃”，即構(gòu)建兩個相同的航天飛行器，其中一個發(fā)射到太空執(zhí)行任務，另一個留在地球上用于反映太空中航天器在任務期間的工作狀態(tài)，從而輔助工程師分析處理太空中出現(xiàn)的緊急事件。當然，這里的兩個航天器都是真實存在的物理實體。

2003年前后，關(guān)于數(shù)字孿生（Digital Twin）的設想首次出現(xiàn)于Grieves 教授在美國密歇根大學的產(chǎn)品全生命周期管理課程上。在該設想中數(shù)字孿生的基本思想已經(jīng)有所體現(xiàn)，即在虛擬空間構(gòu)建的數(shù)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。

直到2010 年，“Digital Twin”一詞在NASA 的技術(shù)報告中被正式提出。近年來，數(shù)字孿生得到越來越廣泛的傳播。同時，得益于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生的實施已逐漸成為可能。

現(xiàn)階段，除了航空航天領域，數(shù)字孿生還被應用于電力、船舶、城市管理、農(nóng)業(yè)、建筑、制造、石油天然氣、健康醫(yī)療、環(huán)境保護等行業(yè)。特別是在智能制造領域，數(shù)字孿生被認為是一種實現(xiàn)制造信息世界與物理世界交互融合的有效手段。

二、數(shù)字孿生的定義及典型特征

（1）標準化組織中的定義數(shù)字孿生是具有數(shù)據(jù)連接的特定物理實體或過程的數(shù)字化表達，該數(shù)據(jù)連接可以保證物理狀態(tài)和虛擬狀態(tài)之間的同速率收斂，并提供物理實體或流程過程的整個生命周期的集成視圖，有助于優(yōu)化整體性能。（2）學術(shù)界的定義數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬實體，借助歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)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(shù)手段a。（3）企業(yè)的定義數(shù)字孿生是資產(chǎn)和流程的軟件表示，用于理解、預測和優(yōu)化績效以實現(xiàn)改善的業(yè)務成果。

三、數(shù)字孿生特征

保真性：數(shù)字孿生的保真性指描述數(shù)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(jié)構(gòu)的高度仿真，在狀態(tài)、相態(tài)和時態(tài)上也要仿真。實時性：數(shù)字孿生技術(shù)要求數(shù)字化，即以一種計算機可識別和處理的方式管理數(shù)據(jù)以對隨時間軸變化的物理實體進行表征。表征的對象包括外觀、狀態(tài)、屬性、內(nèi)在機理，形成物理實體實時狀態(tài)的數(shù)字虛體映射。互操作性：數(shù)字孿生中的物理對象和數(shù)字空間能夠雙向映射、動態(tài)交互和實時連接，因此數(shù)字孿生具備以多樣的數(shù)字模型映射物理實體的能力，具有能夠在不同數(shù)字模型之間轉(zhuǎn)換、合并和建立“表達”的等同性。閉環(huán)性：數(shù)字孿生中的數(shù)字虛體，用于描述物理實體的可視化模型和內(nèi)在機理，以便于對物理實體的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行監(jiān)視、分析推理、優(yōu)化工藝參數(shù)和運行參數(shù)，實現(xiàn)決策功，即賦予數(shù)字虛體和物理實體一個大腦。因此數(shù)字孿生具有閉環(huán)性。

四、數(shù)字孿生與仿真技術(shù)的區(qū)別

仿真技術(shù)是應用仿真硬件和仿真軟件通過仿真實驗，借助某些數(shù)值計算和問題求解，反映系統(tǒng)行為或過程的模型技術(shù)，是將包含了確定性規(guī)律和完整機理的模型轉(zhuǎn)化成軟件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(huán)境數(shù)據(jù)，反映物理世界的特性和參數(shù)。仿真技術(shù)僅僅能以離線的方式模擬物理世界，不具備分析優(yōu)化功能，因此不具備數(shù)字孿生的實時性、閉環(huán)性等特征。

數(shù)字孿生需要依靠包括仿真、實測、數(shù)據(jù)分析在內(nèi)的手段對物理實體狀態(tài)進行感知、診斷和預測，進而優(yōu)化物理實體，同時進化自身的數(shù)字模型。仿真技術(shù)作為創(chuàng)建和運行數(shù)字孿生的核心技術(shù)，是數(shù)字孿生實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與融合的基礎。在此基礎之上，數(shù)字孿生必需依托并集成其他新技術(shù)，與傳感器共同在線以保證其保真性、實時性與閉環(huán)性。