扫盲：“数字化双胞胎”是什么鬼？

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扫盲：“数字化双胞胎”是什么鬼?

摘要：

自2015年起，数字双胞胎（数字孪生体，Digital Twin）越来越多的被人们提起。但凡笔者过的参加高大上的会议，必有“数字双胞胎”这个话题。本期微波仿真论坛抛砖引玉，大家一起来讨论，交流下这个“Digital Twin”。

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前言：

随着“中国制造2025”的推进和“智能制造十三五规划”的发布，“智能制造和工业4.0”无疑是最热门的话题。2017年将会出现哪些热门新话题呢?“数字双胞胎”可能就是其中之一。

如果您还对这个不了解，那你就“落伍”了。数字双胞胎（Digital Twin）也被翻译成数字孪生。

Wikipedia对其的解释为“Digital twin refers to computerized companions of physical assets that can be used for various purposes. A digital twin uses data from sensors installed on physical objects to represent their near real-time status， working condition or position.”

百度百科“当每个引擎、每个涡轮、每台核磁共振，都被创造了一个“数字双胞胎”（Digital Twin），也就是物理资产或流程的软件模型，机器的运作情况和任何环境因素就都关联起来，让企业能够预判其运转，快速调校，持续升级，提升可靠性和适应性，创出更多价值”。

数字双胞胎是仿真技术的下一波高潮

数字双胞胎：

数字双胞胎(Digital Twin)是指可用于各种物理资产的计算机化“伴侣”，借助安装在物理对象上的传感器数据来映射产品实时状态、工作条件或位置。换句话说，数字双胞胎意味着物理对象的属性及状态的最新和准确的镜像，包括形状、位置、状态和运动。此外，数字双胞胎也可用于监测、诊断和预测，借助数据挖掘建立模型，通过物理资产使用中不断产生的和归档的历史信息，在不同地理分布的机器群之间进行比较，以帮助改善预后的结果。

　　因此，复杂的预测和智能维护系统平台可以利用数字双胞胎寻找运行中问题的根本原因，使人们可以管理和优化个别资产或整个网络，从嵌入物理对象中的传感器获取数据，建立其运行的数字模型，在损坏或发生故障以前加以修复，大大减少因停机所造成的损失。

利用现有不同的信息系统构建数字双胞胎

例如，若干年后，当航空公司接收一架飞机的时候，同时还将验收一套详细的数字模型。每架飞机型号都伴随着这套数字模型。每一特定架次的飞机都不再“孤独”。因为，它有一个忠诚的“影子”，从不消失，伴随一生。在数字世界建立的飞机模型，通过传感器实现与飞机飞行状态完全同步，如机翼受力状态、应力和应变等。飞机每次飞行后，就可以根据结构现有情况和历史载荷记录，及时分析评估是否需要维修，能否承受下次飞行任务的载荷。驾驶员、维修人员和工程师皆可查阅有关架次飞机的历史数据和现有状态，保证飞行安全，防范于未然。换句话说，未来的航空器生命周期管理是可预测的、集成化和完全个性化的“事前诸葛亮”。当前，美国通用电气公司正在着手提出在航空、风电、保健、交通运输等领域应用数字双胞胎的初步解决方案。

数字化双胞胎：迈向“工业4.0”的内生动力

“数字化双胞胎”涵盖“产品数字化双胞胎”“生产工艺流程数字化双胞胎”和“设备数字化双胞胎”三个层面，三个层面又高度集成为一个统一的数据模型，可以完整真实再现整个企业，从而帮助企业在实际投入生产之前即能在虚拟环境中优化、仿真和测试，而在生产过程中也可同步优化整个企业流程，最终打造高效的柔性生产、实现快速创新上市。数字化双胞胎为制造业带来的这些收益与中国“十三五规划”的目标高度契合。

数字化双胞胎模型具有模块化、自治性和连接性的特点，可以从测试、开发、工艺及运维等角度，打破现实与虚拟之间的藩篱，实现产品全生命周期内生产、管理、连接的高度数字化及模块化。

“数字化双胞胎”绝对不仅是一个名词标签，而是一种创新意识的体现。在数字化双胞胎实现的过程中，需要两方面的必要条件：一套集成的软件工具和三维形式的展现。 “数字化双胞胎不是要让虚拟世界做现在我们已经做到的事情，而是要发现潜在问题、激发创新思维、不断追求优化进步，这才是数字化双胞胎的目标所在。”

仿真驱动的数字双胞胎：

“数字双胞胎”逐渐变成了近几年的热词，可是关于这个词和“仿真”的关系，很多人都没有认识到。

数字胞胎有两个重要模型，一是实体的物理模型，二是虚拟模型。虚拟模型是在计算机中，利用数学、统计、图形、逻辑规则等不同方式进行仿真得到的模型，并与物理模型之间通过通讯、感知，紧密地结合起来。因此，在Digital Twin里虚拟模型起到非常重要的作用。

数字胞胎的发展有四个层次，也体现了虚拟模型在Digital Twin中的作用。第一个层次模型映射，即建立物理对象的虚拟映射；第二次层次是监控与操纵，即在虚拟模型中反映物理对象的变化；第三层次是诊断，即发生异常时寻找根本原因；第四层次是预测，即预测潜在风险，合理规划产品或设备的维护。这四个层次应用的背后体现的是仿真的精度与效率，数字双胞胎层次越高，对其要求也就越高。

数字双胞胎的四个层次

仿真是Digital Twin的基石：

利用仿真技术，可以：在虚拟世界中建立物理系统的映射，利用该映射展示产品的性能或工艺过程。

模拟并监控物理系统的真实使用，用于培训产品的维护和使用人员。

对物理系统的性能进行评估，对故障或使用问题进行诊断，寻找根本原因。

预测系统故障，提前制定规划或者维护方案，优化系统的使用性能，提高系统使用寿命。

本文参考：

1、 维基解密

2、 百度百科

3、 制学网CEO叶洎沅在“2017年中国制造业仿真技术应用研讨会”上的演讲

4、 《数字双胞胎浪潮来袭》

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