一、数字孪生：概念与展望

（一）数字孪生概念

百度百科中的数字孪生 (Digital Twin)1定义，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、多概率的仿真过程，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，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。这个定义基本上道出了数字孪生的本质是基于物联网、传感器、模型、数据、映射、仿真多学科技术的集成应用，核心要解决的是设备全生命周期的管理。从这个定义也可以看出，数字孪生最初是基于设备全生命周期管理场景提出的，着眼点是物理设备的数字化。将这个概念进一步泛化，可以将物理世界的人、物、事件等所有要素数字化，在网络空间再造一个一一对应的虚拟世界，物理世界和虚拟世界同生共存、虚实交融，万物皆可数字孪生。

数字孪生的概念示意图如下所示：

（二）数字孪生起源

数字孪生最初源于 2003 年由 Grieves 教授在美国密歇根大学产品生命周期管理课程上提出的“与物理产品等价的虚拟数字化表达”的概念，当时被称作“镜像空间模型”，其定义为包括实体产品、虚拟产品及两者之间连接的三维模型 (Grieves, 2005)，但是直到 2011 年，Grieves 教授才在书中明确应用了“数字孪生体”一词(Grieves, 2011)。数字孪生技术早期主要被应用在军工及航空航天领域。2010 年，美国国家航空航天局 (NASA) 在太空技术路线图中首次引入数字孪生的概念，开展了飞行器健康管控应用；2011 年，美国空军研究实验室 (AFRL) 明确提出面向未来飞行器的数字孪生体规范，指出要基于飞行器的高保真仿真模型、历史数据和实时传感器数据构建飞行器的完整虚拟映射，以实现对飞行器健康状态、剩余寿命及任务可达性的预测 (Tuegel, Ingraffea, Eason, et al, 2011)；美国洛克希德·马丁公司将数字孪生引入到F-35 战斗机生产过程中，用于改进工艺流程，提高生产效率与质量（孟松鹤，叶雨玫，杨强，等，2020）。

2006年，美国国家科学基金会 (NSF) 的Helen Gill用“信息物理系统”(Cyber physicalsystem, CPS) 一词来描述传统的 IT 术语无法有效说明的日益复杂的系统。通过计算、通信和控制 (3C) 的集成和协作，CPS 提供实时传感、信息反馈、动态控制等服务，通过这种方式，信息世界与物理过程高度集成和实时交互，以便以可靠、安全、协作、稳健和高效的方式监控物理实体。CPS 更多被定义为计算和物理过程的集成，已经成为工业互联网和工业 4.0 的核心概念。数字孪生是构建和实现 CPS 的必要基础，可以提供更加直观和有效的手段，通过“状态传感、实时分析、科学决策和精确执行”的闭环促进智能制造的发展（陶飞，戚庆林，王力翚，等，2019）。

中国信息通信研究院认为数字孪生城市是新型智慧城市建设的起点，是城市实现智慧的重要设施和基础能力，是城市信息化从量变走向质变的里程碑2，并从2018年开始每年发布数字孪生城市研究报告（白皮书），极大的推进了数字孪生城市的概念被广泛接受。数字孪生城市的提出，也让数字孪生从小尺度的工业设备场景演进到了大尺度的城市复杂场景。Gartner 自 2016 年起连续多年将“数字孪生”列为未来十大战略技术之一。Gartner认为数字孪生体是“物理世界实体或系统的数字代表，在物联网背景下连接物理世界实体，提供相应实体状态信息，对变化做出响应，改进操作，增加价值”。由于数字孪生具备虚实融合与实时交互、迭代运行与优化、以及全要素/全流程/全业务数据驱动等特点，目前已被应用到产品生命周期各个阶段，包括产品设计、制造、服务与运维等。未来世间万物都将拥有其数字孪生体，并且通过物联网彼此关联，创造出巨大的价值。

点击下载文档，即可领取完整资料！