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01 什么是数字孪生

数字孪生，英文名叫DigitalTwin（数字双胞胎），也被称为数字投射、数字镜像。是充分利用数据模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成投射，从而体现相对应实体装备的全生命周期过程。简单来说，数字孪生便是在一个设备或系统的基础上，创造一个数字版的“克隆体”。

这个“克隆体”，也被称为“数字孪生体”。它被建立在信息化平台上，是虚拟的。数字孪生体最大的特点在于：它是对实体对象（暂且就称为“自身”吧）的动态仿真。也就是说，数字孪生体是会“动”的。

如果需要做系统设计改动，或者想要知道系统在特殊外部情况下的反应，工程师们可以在双生体上进行“实验”。这样一来，既避免了对自身的影响，也可以提高效率、节约成本。

02 数字孪生的起源

现有资料显示，数字孪生的概念是由迈克尔·格里夫教授在美国密歇根大学任教时首先提出。

2002年12月3日他在该校“PLM开发企业联盟”成立时的讲稿中首次进行图示了数字数据孪生的概念文化内涵，2003年他在讲授PLM课程时使用了“Digital Twin（数字都是孪生）”。

2009年美国人民空军研究实验室提出了“机身进行数字数据孪生（Airframe Digital Twin）”的概念。2010年NASA也开始在技术发展路线设计图中使用“数字数据孪生（Digital Twin）”术语。

大约从2014年开始，西门子，达索，PTC，ESI，ANSYS等行业内知名的软件公司在市场营销方面利用“数字孪生”，并陆续建立在技术做了很多深入的研究和拓展这一概念的内涵。

2015年，中国也逐渐跟进。当时包括工业4.0研究所在内的多家国内研究机构和企业，纷纷启动了数字孪生相关的研究课题。从那之后，数字孪生这一概念，就开始风靡互联网和工业界，直至今日。

03 数字孪生的价值

有人说，数字孪生会影响第四次工业革命的发展，我们通过案例来解释说明一下。

1、在产品研发的过程中，数字孪生可以虚拟构建商品数字化模型，对其进行仿真测试和验证。

2、生产制造时，可以模拟设备的运转，还有参数调整带来的变化。

3、数字孪生能够有效提升产品的可靠性和可用性，同时降低产品研发和制造风险。维护阶段，数字孪生也能发挥重要作用。如同前文所说，美国空军提出数字孪生，就是为了帮助更好地维护战斗机。

选用数字孪生技术，通过对运行数据进行持续采集和智能分析，可以预测维护工作的最佳时间点，也可以提供维护周期的参考依据。数字孪生体也可以提供故障点和故障概率的参考。

数字孪生给工业制造带来了非常明显的效率提高和成本下降，促进绝大部分的工业巨头趋之若鹜。

举个例子说明：

以常见的汽车生产为例，2022年，宝马集团发布其未来汽车生产的革命性战略——BMW iFACTORY。为了践行这一战略，已经在沈阳投产的BMW iFACTORY 里达工厂的超级虚拟工厂（你可以理解为它是现实工厂的数字孪生世界），它真正实现了虚拟和现实世界的双向映射。

在这个虚拟工厂里，你能看到所有生产细节，比如在冲压车间，你能看到一卷虚拟的钢材从钢板变成车门。

在车身车间，每一台虚拟机械臂的运行轨迹和真实车间一模一样。建造一个车身车间，从规划到投产，传统模式至少需要3年，原因就在于里面有800多台机械臂，你想让他们协同生产，运行的时候不打架，光一个调试就要花费数月的时间。但有了虚拟工厂，所有运行数据全部在虚拟世界里模拟预演一遍，这就相当于你成了一个先知，能提前看到建造工厂的最优路径。3年以上的建造时间，在虚拟技术的加持下，直接变成2年以内，大大缩减时间，提高了效率。

▲图：虚拟工厂里的宝马i3仿真图

04 数字孪生的主要应用领域

1.智能制造

在生产制造业上，通过数字孪生，在建设实体工程的同时，构建一个虚拟工厂，将实体工厂的每个车间、流水线、设备等映射在虚拟工厂上，通过虚拟的数字孪生实时监控生产状态，就可以及时发现问题，提高生产效率和管控水平。

2.智慧城市

基于数字孪生的智慧城市将引发城市智能规划、管理和服务的重大创新，成为智慧城市建设的重要技术支撑。通过数字孪生城市的规划、设计和模拟，智能预警城市可能产生的不利影响、冲突和潜在危险，并提供合理有效的解决措施。

比如广州的“穗智管”城市运行管理中枢。它与现实的广州一样，包括环境、建筑、道路、人在内的点点滴滴，都在数字化的城市信息模型上一一对应，如影随形同生共长。

这就是数字孪生城市，它赋予实体城市新的数字基因，使不可见的城市隐形秩序显性化。

阿里的“城市大脑”、“数字平行世界”，还有科大讯飞的“讯飞超脑”，都涉及到智慧城市和数字孪生的结合。

3.数字流域

“数字流域”是综合运用遥感 RS 、地理信息系统 GIS 、全球定位系统 GPS 、网络技术、多媒体及虚拟现实等现代高新技术对全流域的地理环境、自然资源、生态环境、人文景观、社会和经济状态等各种信息进行采集和数字化管理，构建全流域综合信息平台和三维影像模型，使各级部门能够有效管理整个流域的经济建设，做出宏观的资源利用与开发决策。

数字流域可以将地形、河流基于卫星GIS数据和遥感数据重建的，模型可以用CAD图纸或者航拍建模，实现系统与现实完全一一对应。

4.智慧医疗

党的十九大做出实施“健康中国2030”战略的重大决策，将维护人民健康提升到了国家战略的高度。

国务院办公厅出台《促进“互联网+医疗健康”发展的意见》，进一步从顶层设计层面为云计算、大数据、人工智能等新技术与医疗健康事业的深度融合发展奠定了基础，智慧医疗也开始持续发展。

数字孪生技术的应用让智慧医疗出现了解决方案。

智慧医疗运营管理系统，以数字孪生为依托，助力医院实现信息聚合、数字建模，三维映射，搭建一个智能化数字空间，依托数据治理、知识图谱、轻量建模技术，提升医院运营管理效率。

数字孪生智慧医疗一般功能主要包括线上查房、移动护理、住院服务等，智慧医院具有信息化、提升医护效率、促进医患沟通和改善住院条件等优势。

5.仓储物流

在物流行业，数字孪生技术也发挥着重要作用。通过对真实世界的物流设备进行虚拟，能够依赖大数据和机器学习，对海量物流数据进行分析、优化仓库的存储结构、优化设备的运行效率，并协助决策与维护，为企业释放极大潜力。

6.基建工程

基建工程也是数字孪生的一个重要应用领域。

我们在修建高速路、桥梁等基础设施前，完成对工程的数字化建模，随后在虚拟的数字空间对工程进行仿真和模拟，评定工程的结构与承受力，还可以导入流量数据，评定工程是否可以满足投入使用后的需求。

在工程交付之后，还可以在维护阶段评定工程是否可以担负特殊情况的压力，以及监测可能发生的安全隐患。

总的来说，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收益。

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