數(shù)字孿生工廠、數(shù)字孿生城市、數(shù)字孿生建筑……如今，數(shù)字孿生的應(yīng)用日益廣泛，人們對數(shù)字孿生的關(guān)注度也與日俱增。那到底什么是數(shù)字孿生，它又將給人們的工作生活帶來哪些變化？接下來，我們一一揭開數(shù)字孿生的神秘面紗。

1 數(shù)字孿生也稱數(shù)字鏡像

數(shù)字孿生也稱為數(shù)字映射和數(shù)字鏡像，它是在數(shù)字世界中建立與物理實體的性能完全一致，且可對其進行實時仿真的模型。通過實時感知物理實體的狀況和環(huán)境，數(shù)字孿生體隨物理實體而演變，保持高度保真性。同時，通過在數(shù)字孿生上的仿真、推演和預(yù)測分析，反過來作用于物理實體。

數(shù)字孿生概念可追溯到1970年美國國家航空航天局（NASA）的阿波羅項目。NASA建設(shè)了一套完整的、高水準(zhǔn)的地面半物理仿真系統(tǒng)，用于培訓(xùn)宇航員和控制人員，包括模擬多種故障場景的處理。這一仿真系統(tǒng)包含各式各樣功能的模擬器，由聯(lián)網(wǎng)的多臺計算機控制。指令艙模擬器用了四臺計算機，登月艙模擬器用了三臺計算機。在模擬培訓(xùn)中，唯一真實的東西是乘員、座艙和任務(wù)控制臺，其他所有的一切，都是由很多計算機、許多的公式以及經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員仿真而創(chuàng)造出來的。

2003年，美國密歇根大學(xué)的邁克爾·格里夫斯教授針對設(shè)備全生命周期管理，提出了物理實體的虛擬數(shù)字表達，并提出了三維模型，但當(dāng)時并沒有用數(shù)字孿生這個術(shù)語。

NASA在其特定的工程實踐中，首先認識到了建設(shè)物理孿生的重要性。隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，特別是軟件技術(shù)與仿真技術(shù)的高度發(fā)展，使得各種物理孿生對象，從功能上、行為上完全可以用計算機系統(tǒng)進行仿真替代，在此基礎(chǔ)上，很自然地提出了數(shù)字孿生概念。2012年，NASA在其發(fā)布的技術(shù)路線圖的“Simulation-Based Systems Engineering”部分中，首次提出了數(shù)字孿生（Digital Twins）的概念。

2015年以來，西門子，GE等公司將數(shù)字孿生應(yīng)用到工業(yè)界，開發(fā)了工業(yè)系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)的數(shù)字孿生。

2017—2019年，Gartner連續(xù)三年將數(shù)字孿生列入十大戰(zhàn)略性技術(shù)。數(shù)字孿生引起廣泛關(guān)注和高度重視，開始在各行各業(yè)獲得應(yīng)用。

2 與常規(guī)數(shù)值仿真不同

事實上，數(shù)字孿生不同于常規(guī)數(shù)值仿真。數(shù)字孿生的主要功能是對物理實體的仿真，與常規(guī)數(shù)值仿真相比，在內(nèi)涵和支撐技術(shù)方面都有所不同：

1）數(shù)字孿生和常規(guī)數(shù)值仿真相比，具有高保真性，體現(xiàn)了數(shù)字孿生中“孿生”的含義。

2）常規(guī)數(shù)值仿真采用不變或不經(jīng)常變的模型，數(shù)字孿生是“活模型”，隨物理實體的狀態(tài)及運行環(huán)境變化而同步跟蹤并實時演變。

3)常規(guī)數(shù)值仿真和物理實體之間是開環(huán)關(guān)系，而數(shù)字孿生和物理實體構(gòu)成閉環(huán)。一方面，數(shù)字孿生需要實時感知物理實體并隨實體而演變，另一方面，在數(shù)字孿生上進行的仿真、推演、預(yù)測結(jié)果，將反饋給物理實體，支持物理實體的決策。

4）常規(guī)數(shù)值仿真大多采用機理建模方法構(gòu)建模型，而建立數(shù)字孿生時，可以采用機理模型建模方法，更多情況下需要采用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法或數(shù)據(jù)驅(qū)動和機理模型建模相結(jié)合的方法。

5）常規(guī)數(shù)值仿真通常是單物理場、單時間尺度的，因數(shù)字孿生需要關(guān)注物理實體的全生命周期過程、各方面的特性，通常需要建立多時間尺度、多物理場的仿真模型。

6）常規(guī)數(shù)值仿真需要的技術(shù)較為單一，了解物理實體的物理特性，并利用計算機實現(xiàn)編程即可。數(shù)字孿生需要先進的傳感技術(shù)，通信技術(shù)，云邊協(xié)同技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸、儲存、處理和分析技術(shù)，人工智能技術(shù)，AR、VR和其他先進的可視化技術(shù)。

3 大大減少試錯成本

建造物理實體的物理孿生代價太大，而且嚴格意義上，物理實體獨一無二，無法實現(xiàn)兩個物理實體的完全一致。另一方面，在物理實體上試錯成本高。例如，在真實電力系統(tǒng)中做故障試驗風(fēng)險很大。運用數(shù)字孿生技術(shù)，可以在不改變原有物理實體的情況下，“克隆”出與之高度相似的數(shù)字實體，在數(shù)字世界中可以看到物理實體的各種特性，并且可以在數(shù)字孿生上模擬不同的“假設(shè)-分析”場景，并對物理實體進行性能改進，可以提前知道某項決策運用在物理實體上是否可行，因此，可大大減少試錯成本。

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生與傳統(tǒng)的數(shù)值仿真相比，內(nèi)涵和功能更加豐富，支撐技術(shù)更全面和先進。

數(shù)字孿生概念已提出多年，直到近兩三年才引起廣泛重視，這是因為數(shù)字孿生的支撐技術(shù)如傳感技術(shù)、云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，為數(shù)字孿生的落地應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，另一方面，也是各行各業(yè)的智能化、數(shù)字化發(fā)展目標(biāo)與數(shù)字孿生相契合。

4 應(yīng)用領(lǐng)域備受關(guān)注

數(shù)字孿生已引起各行各業(yè)的重視，其中最受關(guān)注的行業(yè)是制造、城市管理、電力、醫(yī)療，用于支持智能制造、智慧城市、新型電力系統(tǒng)和精準(zhǔn)醫(yī)療。

數(shù)字孿生支撐智慧城市。在城市數(shù)字孿生建設(shè)方面，新加坡走在前列。新加坡政府耗資7300萬新元，創(chuàng)建了整座城市的實時數(shù)字孿生，政府人員可以在政策真正實施之前，在數(shù)字孿生上進行虛擬實驗，并測試各種場景。

此外，英國在BIM基礎(chǔ)上建立一個公共基礎(chǔ)設(shè)施的國家數(shù)字孿生模型；意大利熱那亞市莫蘭迪橋倒塌后，創(chuàng)建了數(shù)字孿生模型，使用Bentley的開放式建模和模擬應(yīng)用程序。歐盟也在建設(shè)城市數(shù)字孿生，用于能源和CO2模擬，污染和交通的實時監(jiān)測，城市規(guī)劃和運營，資產(chǎn)管理等，帶來更高的運營效率、更好的危機管理、更明智的決策、更具參與性的治理，讓城市更具流動性和宜居性。

數(shù)字孿生支撐智能制造。應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，對制造中涉及的產(chǎn)品、現(xiàn)場、過程和人，進行實時模擬并實現(xiàn)協(xié)同管理。對于產(chǎn)品，需關(guān)注其全生命周期，從設(shè)計到投運、在用戶環(huán)境中的運行維護，直到報廢；對于現(xiàn)場，需建立工廠、車間的虛擬現(xiàn)場-模擬復(fù)雜的制造和運行環(huán)境；過程是指整個的制造和運行過程；對于人而言，不僅要模擬人的行為，還需要把工作信息發(fā)送給工作人員，或?qū)⒐ぷ魅藛T的信息傳送過來，改善效率和質(zhì)量。

特斯拉在電動汽車制造中應(yīng)用了數(shù)字孿生技術(shù)。特斯拉擁有其制造的每輛汽車的數(shù)字孿生，用于在汽車和工廠之間不斷交換數(shù)據(jù)。特斯拉通過這些數(shù)字孿生，不斷調(diào)整和測試產(chǎn)品性能。在自動駕駛方面，特斯拉創(chuàng)建駕駛員及其行為、汽車及其行為方式、道路上的其他汽車和道路本身的數(shù)字孿生。通過捕獲大量數(shù)據(jù)和深入分析這些數(shù)據(jù)，有助于解釋自動駕駛中人、車的復(fù)雜行為，實現(xiàn)車輛的自動駕駛。

數(shù)字孿生支撐精準(zhǔn)醫(yī)療。在現(xiàn)代醫(yī)療中，診斷方案往往依賴于對少數(shù)病例的試驗結(jié)果，未必適合每個個體。應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，可以通過監(jiān)測、處理和整合來自醫(yī)用可穿戴設(shè)備、模型數(shù)據(jù)組、醫(yī)療影像和電子病歷等大量數(shù)據(jù)生成個體的數(shù)字孿生。用數(shù)千種藥物對這些數(shù)字孿生體進行計算治療，以確定性能最好的藥物?；跀?shù)字孿生的精準(zhǔn)醫(yī)療的原則是：“可以在計算機模型上犯錯誤而不是在人身上”。

數(shù)字孿生支撐新一代電力系統(tǒng)。數(shù)字孿生在電力系統(tǒng)有很好的應(yīng)用前景，應(yīng)用場景很多，幾乎可覆蓋電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)、各個技術(shù)領(lǐng)域。發(fā)電環(huán)節(jié)，數(shù)字孿生可應(yīng)用于短期新能源發(fā)電功率預(yù)測，風(fēng)機、光伏系統(tǒng)故障診斷、抽水蓄能機組故障檢測和識別；在輸配電系統(tǒng)，借助數(shù)字孿生，可實現(xiàn)輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)的實時在線仿真，實現(xiàn)仿真的保真性。

針對輸變電設(shè)備，應(yīng)用數(shù)字孿生，可進行電纜健康評估、變電站/變壓器運維。

電池儲能的應(yīng)用越來越廣泛，在電池儲能運行中，需了解電池的SoH和SoC情況，建立數(shù)字孿生可對SoH和SoC進行實時精準(zhǔn)評估，不僅可應(yīng)用于電網(wǎng)用儲能，也可應(yīng)用于電動汽車儲能。

在用戶側(cè)，通過建立綜合能源系統(tǒng)數(shù)字孿生、供電系統(tǒng)的數(shù)字孿生，提高能源管理水平。在調(diào)控環(huán)節(jié)，應(yīng)用數(shù)字孿生，可以建立毫秒級變化的電力系統(tǒng)數(shù)字孿生，實時在線實時仿真，建立源網(wǎng)荷儲數(shù)字孿生，支持源網(wǎng)荷儲協(xié)同管理。