張以曉

(黑龍江省水利工程建設(shè)監(jiān)理公司，哈爾濱 150040)

1 數(shù)字孿生的定義與發(fā)展歷程

1.1 數(shù)字孿生的定義

數(shù)字孿生在業(yè)界關(guān)注和研究時間不長，其概念和內(nèi)涵目前沒有統(tǒng)一的定義。標準化組織、學術(shù)界、企業(yè)等機構(gòu)對數(shù)字孿生定義表述不完全一致，相信隨著數(shù)字孿生研究和實踐不斷深入，人們賦予數(shù)字孿生的定義將更加科學準確。

更多研究者趨向把數(shù)字孿生(Digital Twin)定義為“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，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程”[1]。

1.2 數(shù)字孿生的發(fā)展歷程

有人認為數(shù)字孿生是美國密歇根大學教授Micheal Grieves博士最早提出的。Micheal Grieves博士于2014年發(fā)表數(shù)字孿生白皮書《Digital twin:manufacturing excellence through virtual factory replication》，文章中追溯自己曾經(jīng)在2002年密歇根大學PLM中心一次演講中提及類似數(shù)字孿生相關(guān)概念、在2003年一次高管培訓會議上提出了“物理產(chǎn)品的數(shù)字等同體或數(shù)字孿生體概念”，但這種說法缺少書面的文獻或資料佐證。

2010年美國國家航空航天局(NASA)在《Modeling，simulation，information technology & processing roadmap》中詳細說明了對于航天器數(shù)字孿生的定義和功能，首次書面提出實現(xiàn)“數(shù)字孿生”路線圖的草案，但正式版直到2012年才發(fā)表。與此同時，美國空軍研究實驗室(AFRL,Air Force Research Laboratory)其結(jié)構(gòu)力學部門的Pamela A.Kobn/n和EricJ.Tuegel于2011年3月作的題目“Condition-based Maintenance plus structural integrity(CBM+SI)& THE Airframe Digital Twin”(基于狀態(tài)的維護+結(jié)構(gòu)完整性&戰(zhàn)斗機機體數(shù)字孿生)的演講，明確提到了數(shù)字孿生。AFRL希望實現(xiàn)戰(zhàn)斗機維護的數(shù)字化，而數(shù)字孿生是他們想出來的創(chuàng)新方法。2012年，NASA的Glaessgen和AFRL的Stargel合作發(fā)表了一篇文章“The Digital Twin Paradigm for future NASA and U.S.Air Force Vehicles”，共同提出了未來飛行器的數(shù)字孿生體理想模型，以應對面對未來飛行器高負載、輕質(zhì)量以及極端環(huán)境下服役更長時間的需求，文章對數(shù)字孿生第一次進行了學術(shù)定義。

2011年左右德國西門子也緊跟著研究數(shù)字孿生，將其列入德國工業(yè)4.0戰(zhàn)略。西門子工業(yè)軟件在2016年開始嘗試利用數(shù)字孿生體來完善工業(yè)4.0應用，到2017年底，西門子工業(yè)軟件正式發(fā)布了完整的數(shù)字孿生體應用模型，成為第一個數(shù)字孿生實踐者2015年左右國內(nèi)包括北京航空航天大學數(shù)字孿生研究組和工業(yè)4.0研究院在內(nèi)多家國內(nèi)研究機構(gòu)和企業(yè)紛紛啟動了數(shù)字孿生相關(guān)的研究課題。

2017年北京航空航天大學數(shù)字孿生研究組發(fā)表國內(nèi)首篇數(shù)字孿生車間的文章，牽頭和全國10多所高校共同發(fā)起首場數(shù)字孿生會議，并于2018年提出了數(shù)字孿生五級模型。同年中國信息通信研究院發(fā)布《數(shù)字孿生城市研究報告(2018年)》。

2019年10月16日，工業(yè)4.0研究院發(fā)起設(shè)立數(shù)字孿生體聯(lián)盟(Digital Twin Consortium，DTC)并啟動了“數(shù)字孿生體2020+計劃”(Digital Twin Next 10 Years Initiative)。

2020年5月25日全國高校首家數(shù)字孿生技術(shù)應用聯(lián)合實驗室落戶于常州大學。

2020年11月工信部電子技術(shù)標準化研究院發(fā)布《數(shù)字孿生白皮書》提出數(shù)字孿生將廣泛應用于工業(yè)、城市管理、交通、健康醫(yī)療等垂直行業(yè)。

數(shù)字孿生技術(shù)的實踐遠早于數(shù)字孿生術(shù)語的定義，因為缺少可追溯性記錄因此研究者關(guān)于發(fā)展歷程特別是在交叉時段上發(fā)生的事件存在著不完全一致的表述。

2 數(shù)字孿生的要素、構(gòu)架與特征

2.1 數(shù)字孿生的要素

UINO優(yōu)锘科技總結(jié)指出數(shù)字孿生包括八大要素[2]：

1)元模型：用來定義標準。

2)唯一映射：確定孿生體與物理體對應關(guān)系。

3)數(shù)據(jù)：確保孿生體能夠反映物理體的狀態(tài)。

4)接口：能夠讓應用程序消費。

5)反向控制能力：確保數(shù)字體能夠操控物理體。

6)可視&交互：人能夠通過孿生體認知和管理物理體。

7)仿真：能夠通過自然規(guī)律來推演。

8)分析能力：可以基于數(shù)據(jù)和算法模型進行診斷和預測。

2.2 數(shù)字孿生的架構(gòu)

在《數(shù)字孿生應用白皮書2020》中指出數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)由基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)互動層、模型構(gòu)建與仿真分析層、共性應用層(行業(yè)應用層)組成。

有的研究者指出數(shù)字孿生系統(tǒng)主要有4個實體層級：

1)數(shù)據(jù)采集與控制實體，包括感知、控制、標識等技術(shù)，承擔孿生體與物理對象間上行感知數(shù)據(jù)的采集和下行控制指令的執(zhí)行。

2)核心實體，依托通用支撐技術(shù)，實現(xiàn)模型構(gòu)建與融合、數(shù)據(jù)集成、仿真分析、系統(tǒng)擴展等功能，是生成孿生體并拓展應用的主要載體。

3)用戶實體，以可視化技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)為主，承擔人機交互的職能。

4)跨域?qū)嶓w，承擔各實體層級之間的數(shù)據(jù)互通和安全保障職能。

2.3 數(shù)字孿生特征

1)虛實映射。數(shù)字孿生技術(shù)要求在數(shù)字空間構(gòu)建物理對象的數(shù)字化表示，現(xiàn)實世界中的物理對象和數(shù)字空間中的孿生體能夠?qū)崿F(xiàn)雙向映射、數(shù)據(jù)連接和狀態(tài)交互。

2)實時同步。在實時傳感等技術(shù)的基礎(chǔ)上進行多元數(shù)據(jù)的獲取，孿生體可全面、精準、動態(tài)反映物理對象的狀態(tài)變化，有外觀、性能、位置、異常等。

3)共生演進。在理想狀態(tài)下，數(shù)字孿生所實現(xiàn)的映射和同步狀態(tài)應覆蓋孿生對象從設(shè)計、生產(chǎn)、運營到報廢的全生命周期，孿生體應隨孿生對象生命周期進程而不斷演進更新。

4)閉環(huán)優(yōu)化。孿生體最終目的是在描述物理實體內(nèi)在機理的基礎(chǔ)上，分析規(guī)律、洞察趨勢，通過分析與仿真對物理世界形成優(yōu)化指令或策略，實現(xiàn)對物理實體決策優(yōu)化功能的閉環(huán)。

3 智慧水利建設(shè)

3.1 智慧水利的內(nèi)涵

智慧水利是新時期水利事業(yè)發(fā)展科技進步的顯著標志，以水利科學和信息化技術(shù)為支撐，通過應用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動終端、人工智能、水利模型、傳感器等新興技術(shù)，用數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化形式表現(xiàn)產(chǎn)業(yè)融合成果，為全面提升水資源管理、保護、監(jiān)督能力和水安全保障能力以及推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供重要路徑和水利數(shù)字孿生技術(shù)平臺。

智慧水利具備空間全域化、時間序列化、過程自動化、應用智能化、管理一體化、決策科學化的特征。

數(shù)字孿生技術(shù)是智慧水利建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。

3.2 引領(lǐng)智慧水利建設(shè)政策文件

1)2021年11月水利部發(fā)布《關(guān)于大力推進智慧水利建設(shè)的指導意見》提出要加快建設(shè)數(shù)字孿生流域和數(shù)字孿生工程，強化“四預”功能。表達積極參與智慧水利工程建設(shè)，利用數(shù)字孿生技術(shù)助力實現(xiàn)治水為民、興水惠民愿景。

2)2022年1月國家發(fā)展改革委、水利部印發(fā)《“十四五”水安全保障規(guī)劃》明確指出加強智慧水利建設(shè)，提升數(shù)字化網(wǎng)格化智能化水平。

3)2022年2月水利部研究推出《數(shù)字孿生流域建設(shè)技術(shù)大綱(試行)》、《數(shù)字孿生水利工程建設(shè)技術(shù)導則(試行)》、《水利業(yè)務“四預”基本技術(shù)要求(試行)》等體系文件，為當前和今后一段時期內(nèi)開展數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水利工程和水利智能業(yè)務應用建設(shè)提供技術(shù)指導。

4)2022年3月25日水利部李國英部長在《人民日報》發(fā)表 “推動新階段水利高質(zhì)量發(fā)展全面提升國家水安全保障能力” 署名文章，提出推進智慧水利建設(shè)，以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化為主線，全面推進算據(jù)、算法、算力建設(shè)，加快建設(shè)數(shù)字孿生流域、數(shù)字孿生水利工程。

3.3 智慧水利建設(shè)近期目標

1)目標：按照“需求牽引、應用至上、數(shù)字賦能、提升能力”要求，以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化為主線，以數(shù)字化場景、智慧化模擬、精準化決策為路徑，以構(gòu)建數(shù)字孿生流域為核心，全面推進算據(jù)、算法、算力建設(shè)，加快構(gòu)建具有預報、預警、預演、預案(簡稱“四預”)功能的智慧水利體系，為新階段水利高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐和強力驅(qū)動。

2)數(shù)字孿生流域:國家“十四五”規(guī)劃綱要明確提出“構(gòu)建智慧水利體系，以流域為單元提升水情測報和智能調(diào)度能力”。對目標流域內(nèi)河流的上下游、左右岸、干支流以及相關(guān)水域水利建設(shè)的工程體系、影響范圍、經(jīng)濟社會要素等現(xiàn)實條件進行數(shù)字化，打造具有 “四預”級孿生平臺，形成二維圖像圖表和三維仿真模型對物理模型進行數(shù)字映射展示，包括水利樞紐、泵站、水閘、堤防、灌區(qū)、蓄滯洪區(qū)等各類水利工程及其配套和輔助設(shè)備數(shù)字化場景的還原。

3)數(shù)字孿生水利工程：數(shù)字孿生水利工程主要圍繞防洪安全、精準調(diào)度、運行安全管理、工作管理和綜合決策等開展建設(shè)，充分利用水工模型數(shù)據(jù)，傳感器更新水文數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，衛(wèi)星、GPS、雷達、無人機、攝像機、語音通訊等收集的影像、地理高程、氣象、移動視頻、視頻監(jiān)控、指揮等數(shù)據(jù)，采取數(shù)字孿生技術(shù)分析和仿真，不僅提升洪水預報、調(diào)度方案預演模擬精度，而且實現(xiàn)洪水預報、防洪預警、工程調(diào)度等數(shù)字化場景下全過程模擬預演及預案決策；顯著增強水安全管理感知能力，提升水利工程運行管理的智慧化模擬、精細化管理與科學化決策水平。

數(shù)字孿生大藤峽工程是全國水利行業(yè)首個正式開工建設(shè)的數(shù)字孿生水利工程，是“十四五”期間水利部優(yōu)先選擇的12個重點水利工程開展數(shù)字孿生水利工程建設(shè)之一。

4 存在問題

2021年3月23日王敏、王子玥在中國社會科學網(wǎng)-中國社會科學報發(fā)表《積極消解數(shù)字孿生技術(shù)發(fā)展中的現(xiàn)實隱憂》的文章，指出數(shù)字孿生應用中存在標準體系缺乏、虛擬模型真實性、孿生數(shù)據(jù)安全性的隱憂問題并提供了相應的消解路徑，須引起足夠重視。

5 結(jié) 語

數(shù)字孿生技術(shù)契合了我國以信息技術(shù)為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級賦能的戰(zhàn)略需求，數(shù)字孿生技術(shù)與各產(chǎn)業(yè)的深化融合有力推動產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展進程，成為產(chǎn)業(yè)變革的強大助力，具有廣闊的應用空間和發(fā)展前景。