第一章　什么是数字孪生

一　数字孪生的内涵

数字孪生，英文名为Digital Twin，也被称为数字映射、数字镜像。它的官方定义较为复杂，具体解释如下：

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为由一个或多个重要的、彼此依赖的装备组合而成的数字映射系统。

其实，简单来说，数字孪生就是在一个设备或系统的基础上，创造出一个数字版的“克隆体”，而这个创建在信息化平台上的“克隆体”是虚拟的。这项技术可以用于工厂的厂房及生产线，使其在建造之前便拥有数字化模型，从而在虚拟的赛博空间中对工厂进行仿真和模拟，并根据此参数进行实际的工厂建设。而工厂和生产线建成之后，二者可以继续在日常的运作中进行信息交互。

也许你会说，这不就是电脑上的设计图纸吗？CAD（三维模型构建技术）搞搞不就有了？

其实不然。相比于设计图纸，数字孪生最大的特点在于它是对实体对象（姑且就称为“本体”吧）的动态仿真。也就是说，数字孪生体（Digital Twin）是会“动”的。举个例子，如果用数字孪生技术对一个飞行器进行仿真，可以包含机身、推进系统、能量存储系统、生命支持系统、航电系统以及热保护系统等，并且它可以将物理世界的参数反馈到数字世界，从而完成仿真验证和动态调整。

并且，数字孪生体不是随便乱“动”的。它“动”的依据来自本体的物理设计模型，还有本体上面传感器反馈的数据，以及本体运行的历史数据。说白了，本体的实时状态和外界环境条件，都会复现到“孪生体”身上。如果需要做系统设计改动，或者想要知道系统在特殊外部条件下的反应，工程师们可以在孪生体上进行“试验”。这样一来，既避免了对本体的影响，又可以提高效率、节约成本。

除了会“动”之外，理解数字孪生还需要记住三个关键词，分别是“全生命周期”、“实时/准实时”和“双向”。

（一）全生命周期

数字孪生全生命周期是源自工业界的概念。在工业制造领域，有一个词叫作“产品生命周期管理”（Product Lifecycle Management，PLM）。而“全生命周期”是指数字孪生可以贯穿产品的整个生命周期，包括设计、开发、制造、服务、维护乃至报废回收等。它不仅能帮助企业把产品更好地造出来，还能帮助用户更好地使用和维护本体。

（二）实时/准实时

“实时/准实时”是指本体和孪生体之间可以建立全面的实时或准实时联系，没有大的时延，也没有明显的滞后性。两者并不是完全独立的，映射关系也具备一定的时效性。

（三）双向

“双向”指本体和孪生体之间的数据流动可以是双向的。并非只能本体向孪生体输出数据，孪生体一样也可以向本体反馈信息。企业可以根据孪生体反馈的信息，对本体采取进一步的行动和干预，从而避免对本体造成不必要的损害。

从专业角度来讲，数字孪生是客观世界中的物化事物及其发展规律被软件定义后的一种结果。丰富的工业软件内涵以及强大的软件定义效果，让数字孪生的研究在国内外呈现百花齐放的态势。有关学者认为数字孪生与计算机辅助（CAX）软件（尤其是广义仿真软件）及数据采集、分析的发展的关系十分密切。

而在工业界，人们用软件来模仿和强化人的行为方式。例如，计算机绘图软件最早模仿的是人在纸面上作画的行为。人机交互技术发展成熟后，以下模仿行为开始出现：

用CAD软件模仿产品的结构与外观；

用CAE软件模仿产品在各种物理场情况下的力学性能；

用CAM软件模仿零部件和夹具在加工过程中的刀轨情况；

用CAPP软件模仿工艺过程；

用CAT软件模仿产品的测量/测试过程；

用OA软件模仿行政事务的管理过程；

用MES软件模仿车间生产的管理过程；

用SCM软件模仿企业的供应链管理过程；

用CRM软件模仿企业的销售管理过程；

用MRO软件模仿产品的维修管理过程。

依靠软件中的某些特定算法，人们已经开发出了某些具有一定智能水平的工业软件，如具有关联设计效果的产品设计系统。在文学与娱乐界，人们用软件来模拟和强化人的体验方式。例如：

用电子书模仿纸质书；

用电子音乐模仿现场音乐；

用电子琴软件弹琴；

用评书软件说书；

用卡通软件模仿漫画；

用动漫软件模仿动画影片；

用游戏软件模仿各种真实游戏；

用万年历软件快速查找某个特殊日期或“吉时”。

人们不仅可以模仿已知的、有经验的各种事物，还可以模仿各种未知的、从未体验过的事物。例如影视界可以用软件创造出诸如龙、凤、麒麟、阿凡达、白雪公主、七个小矮人等故事中的形象，当然也可以创造出更多闻所未闻、见所未见的形象。

特别是当这种模仿与VR/AR（虚拟现实/增强现实）技术结合在一起的时候，所有的场景都栩栩如生、直入人心。于是，在由数字虚体构成的虚拟世界中，所有的不可能都变成可能，所有在物理世界无法体验与重复的奇妙、惊险和刺激的场景，都可以在数字空间得以实现，这最大限度地满足了人的感官体验和精神需求。

事实上，十几年前在汽车、飞机等复杂产品工程领域出现的“数字样机”的概念，就是对数字孪生的一种先行实践活动，是一种技术上的孕育和前奏。数字样机最初是指在CAD系统中通过三维实体造型和数字化预装配后，得到一个可视化的产品数字模型（几何样机），用于协调零件之间的关系，进行可制造性检查，因此基本上可以代替物理样机的协调功能。

随着数字化技术的发展，数字样机的作用也在不断增强。人们在预装配模型上进行运动、人机交互、空间漫游、机械操纵等飞机功能的模拟仿真，之后又进一步与机器的各种性能分析计算技术结合起来，使之能够模拟仿真机器的各种性能，因此将数字样机按作用从几何样机扩展到功能样机和性能样机。

以研制复杂产品而著称的飞机行业，在数字样机的应用上走在了全球前列。某些型号飞机的研制工作在20世纪末就已经围绕着数字样机展开，数字样机承载着几乎完整的产品信息。人们可以通过数字样机进行飞机方案的选择，利用数字样机进行各种制造仿真，在数字样机上检查未来飞机的各种功能，发现需要改进的地方，最终创建出符合要求的“数字飞机”，并将其交由工厂进行生产，制造成真正的物理飞机，完成整个研制过程。

无论是几何样机、功能样机，还是性能样机，都属于数字孪生的范畴。数字孪生的术语虽然是在最近几年才出现的，但是数字孪生技术内涵的探索与实践，早在十多年前就已经开始并且取得了相当多的成果。例如中国航空工业集团第一飞机研究院在21世纪初开发的飞豹全数字样机与已经服役的飞机形成了简明意义上的数字孪生关系。