数字孪生：现实世界的身外化身

数字孪生技术，作为现实世界与数字世界的桥梁，正逐渐成为工业4.0和智能制造的核心。它通过创建物理实体的虚拟副本，实现对实体的全面监控、预测和优化。

最近因为要给客户设计工厂可视化大屏，包含设备展示与管控，涉及到数字孪生。从而和大家一起探讨一下，什么是数字孪生？有什么价值和特点？有哪些应用及案例？

一、数字孪生

数字孪生，英文名叫Digital Twin（数字双胞胎），也被称为数字映射、数字镜像。

工信部2020版《数字孪生白皮书》中定义：

数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据、实时数据、以及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段。

▲ 数字孪生

直白一些的理解就是，在一个系统基础上，创造一个数字版的“克隆体”。

其中最重要的两个部分是物理实体和虚拟实体。

物理实体可以是任何事物，例如机器、设备、建筑、城市、生态系统等；虚拟实体，即是数字化模型，是基于物理实体的数据和信息进行建模，包括几何形状、结构、材料、运行状态、环境参数等。

虚拟实体可以对物理实体进行仿真、预测、验证、控制、优化等操作。

数字孪生最早起源于美国航天局阿波罗计划。

在这个计划中，构建了两个相同的航天飞行器，一个用于太空执行任务，另一个则留在地球。

留在地球的【孪生模型】用于实时反映太空中航天器的状态，针对在太空执行任务飞行器的各种情况做更好的模拟、反馈、演练、跟进、调整，极大地提升了太空任务的安全性和可靠性。

▲ 数字孪生

数字孪生体构建在信息化平台上，会随着物理实体传感器反馈的数据及历史运行数据来进行有规则的联动。

即是物理实体的实时状态和外界环境条件，都会复现到数字孪生体上。

同时，也支持通过数字化孪生体来控制物理实体，实现远程操控。

更重要的是，需要对物理实体有设计改动，可以先在孪生体上进行“实验”，不仅避免对物理实体的影响，也可以提高效率、节约成本。

二、价值和特点

在设计创新领域，数字孪生技术可以在虚拟环境中对物理实体进行模拟和测试，从而避免在实际操作中可能出现的错误和故障。

可以设计高铁、火箭、宇宙飞船；可以升级飞机、卫星、空间站；可以创新人形机器人、无人飞机…

在生产制造领域，数字孪生技术可以辅助制造商在虚拟环境中对产品设计进行多次迭代和优化，从而确保最终产品的性能和质量。同时，数字孪生还可以帮助制造商优化生产流程，提高生产效率。

可以迭代硬盘结构设计，2T、5T的硬盘再也不是砖头大小；可以更新芯片设计，优化制造流程，尽量减少高端芯片卡壳的限制，在保住大量市场的情况下为高端芯片的突破提供基础；可以模拟无人工厂、无人仓储，进一步提升制造、物流效率…

在实时监测和预测性维护领域，数字孪生技术可以实时监测物理实体的状态，并根据收集到的数据进行预测性维护。这可以及时发现潜在故障，避免设备停机和生产中断，从而降低维护成本和提高设备的可用性。

可以将重点、核心设备数字孪生化，远程、准实时监控；可以设备故障上报自动化，设备异常快速上报，缩短信息传递时间，减少现场业务中断；可以趋势分析、汇总统计，总结故障先兆，对设备进行预测性维护…

▲ 数字孪生车间

数字孪生具有以下几个典型特点：

• 保真性 ：保真性是指描述数字虚体模型和物理实体的接近性，要求虚体和实体不仅要保持几何结构的高度仿真，在状态、相态和时态上也要仿真。
• 互操作性 ：数字孪生中的物理对象和数字空间能够双向映射、动态交互和实时连接。数字孪生具备以多样的数字模型映射物理实体的能力，具有能够在不同数字模型之间转换、合并和建立“表达”的等同性 。
• 可扩展性 ：数字孪生技术具备集成、添加和替换数字模型的能力，能够针对多尺度、多物理、多层级的模型内容进行扩展。
• 实时性 ：数字孪生技术要求数字化，以一种计算机可识别和处理的方式管理数据以对随时间轴变化的物理实体进行表征。表征的对象包括外观、状态、属性、内在机理，形成物理实体实时状态的数字虚体映射。
• 闭环性 ：数字孪生中的数字虚体，用于描述物理实体的可视化模型和内在机理，以便于对物理实体的状态数据进行监视、分析推理、优化工艺参数和运行参数，实现决策功能，即赋予数字虚体和物理实体一个大脑。

▲ 数字孪生闭环

三、应用及样例

数字孪生的应用非常广泛，包括但不限于制造业、智慧城市、航空航天、医疗健康等领域：

• 在制造业中，数字孪生可以用于产品设计、生产流程优化、设备预测性维护等方面；
• 在智慧城市中，数字孪生可以用于城市规划、交通管理、环境监测等方面；
• 在航空航天领域，数字孪生可以用于飞机设计、飞行模拟、故障预测等方面；
• 在医疗健康领域，数字孪生可以用于患者诊断、手术模拟、药物研发等方面。

▲ 数字孪生应用

在制造业中，数字孪生技术使得生产过程更加自动化和智能化。通过集成物联网、人工智能等技术，制造商可以实现生产过程的实时监控和智能控制。这样，制造商可以减少对人工干预的依赖，降低人为因素导致的资源浪费和环境污染。

▲ 数字工厂案例

为改善临港新片区电网结构，解决配电网的薄弱环节，国网上海浦东供电公司拟在临港新建马厂、博艺、洋山、顺浩、浩通、春景、鹏翔、川桤等共计8座110千伏变电站。

作为第一座试点变电站，博艺站从建设之初就以“数字孪生变电站”为建设理念，在打造的三维变电站模型基础上，融入实体变电站运行中的动态信息，并在变电站设计之初就以移交运行使用的标准进行建造、验收、投运，在投运后可以同步显示实体变电站的所有信息。

▲ 110千伏博艺站

实体变电站建设的同时，一座“拷贝不走样”的数字变电站也在同步建设，投运后，这对“孪生兄弟”一个在实地，一个在远端，一个负责实际供配电，一个体现错综复杂的数据。

110千伏博艺站数字孪生系统的建成具有划时代的意义，实体变电站、数字孪生系统的同步投运不仅突破了传统变电站的局限性，使变电站不再是从前冷冰冰的建筑和设备，而是具有思考和交互功能的数字智慧镜像，实现与运行人员的互动和交流，降低运维用人成本，进一步提升智能化水平与安全生产能力。

数字孪生技术作为一种创新性的数字化工具，通过构建物理对象的数字映射，实现虚拟与现实同步，集成了物联网、云计算、人工智能、大数据等多种前沿技术，能够对物理世界进行全方位的仿真和管理。

以此看，数字孪生是一项非常有潜力的前沿技术，会给企业带来丰厚的价值回报。

但数字孪生，既需要深厚的技术沉淀，也需要巨大的资金投入，还需要管理水平和员工技能达到相应的层次，又需要理性看待。

相对来说，潜心研究、客观评估、谨慎投入，才是打开数字孪生世界的正确姿势。