关于数字孪生技术的介绍

2020年9月，第22届中国国际工业博览会在上海国家会展中心举行，博览会上国家电网首次展示国内首个“会思考”的电网设备数字孪生系统和自主研发的现场试验辅助决策成套装置。当前正处在能源革命与数字革命深度融合的交汇点，国家电网主动跨前一步，用数字化手段推动电网向智慧化方向发展，引领数字孪生能源互联网建设，打造优势互补、资源共享、互利共赢的数字孪生能源生态圈。

近年来，数字孪生一词迅速蹿红，成为一个炙手可热的发展概念。当前，以物联网、大数据、人工智能等新技术为代表的数字浪潮席卷全球，数字世界的快速发展需要不断从物理世界汲取养分，物理世界也随着数字世界发展变得更丰富多彩。在此背景下，数字孪生技术应运而生。

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走进“数字双胞胎”

2018年史蒂文·斯皮尔伯格执导的《头号玩家》，在全球上映，影片中现实世界的人类在游戏《绿洲》中存在一个虚拟的自己，人类可以在控制仓中控制虚拟世界中的自己，这大概就是“数字双胞胎”。

数字孪生（Digital Twin）一词由美国密歇根大学Michael Grieces教授2003年在他所讲授的产品生命周期管理课程引入。简单地说，数字孪生就是用数字技术模拟、仿真物理对象在现实世界中的行为。

2011年3月，美国空军研究实验室在一次演讲中，明确提到了数字孪生这一名词，美国空军研究实验室成为了最早提出这一概念的机构；

有材料显示，同期美国国家航空航天局也开始关注数字孪生体，但后续对数字孪生体体系的搭建研究不够深入，贡献有限。反而是美国国防部立刻意识到数字孪生技术将成为重要的工程工具，值得全面研发；与此同时，美国通用电气（GE）在为美国国防部提供F-35联合攻击机解决方案的时候，发现数字孪生技术是工业数字化过程中的有效工程工具，并开始利用数字孪生体系构建工业互联网体系。

关于数字孪生的定义内涵，国外众多研究机构和国内的行业专家们都给出不同的见解，下面举例几个国内外企业或组织给出的数字孪生定义，供参考。

1、埃森哲：数字孪生是指物理产品在虚拟空间中的数字模型，包含了从产品构思到产品退市全生命周期的产品信息；

2、美国国防采办大学：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、多尺度的仿真过程，在虚拟空间中完成对物理实体的映射，从而反映物理实体的全生命周期过程。

3、中国航空工业发展研究中心刘亚威：从本质上来看，数字孪生是一个对物理实体或流程的数字化镜像。创建数字孪生的过程，集成了人工智能、机器学习和传感器数据，以建立一个可以实时更新的、现场感极强的“真实”模型，用来支撑物理产品生命周期各项活动的决策。

目前尚无业界公认的标准定义，数字孪生的概念还在发展与演变中。

Prof Grieves的数据孪生参考模型中数字孪生由三部分构成：

物理空间的实体产品；

虚拟空间的虚拟产品；

虚实之间的连接数据和信息。

source：Grieves.M(2014)Digital Twin: ManufacturingExcellence through VirtualFactory Replication

NARA和AFRL的数字孪生模式图示化表示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、多概率的仿真，从而反映相对应的实体的全生命周期过程。

source：The Digital Twin Paradigm forFuture NASA and U.S. Air Force Vehicles

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数据孪生五维模型

2018年北京航空航天大学陶飞教授在上海CIMS大会上做了题为《五维数学孪生模型及十个领域应用探索》的学术报告，报告中指出传统数字孪生的三维模型已无法满足现阶段技术发展与应用需求，北航数字孪生技术研究小组提出了数字孪生五维模型的概念，以适应新需求。

source:数字孪生五维模型及十大领域应用探索，陶飞

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数据孪生应用探索

从2014年开始，西门子、达索、PTC、ESI、ANSYS等知名工业软件公司，在市场宣传中都不约而同使用了“Digital Twin”术语，并陆续在Digital Twin的技术构建等方面做了很多深入研究和拓展。

Gartner公司更是连续三年（2016-2018年）将数字孪生列为当年十大战略科技发展趋势之一。世界上最大的武器生产商洛克希德马丁公司2017年11月将数字孪生列为未来国防和航天工业6大顶尖技术之首。

数字孪生正在成为众多跨国企业业务布局的新方向。

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数字孪生工业应用

基于模型、数据、服务等方面的优势，数字孪生已广泛被全球各行业、各背景、各层次的专家、学者和企业研究与应用，目前数字孪生在制造领域开展了较多的应用探索和落地实践，但在航空航天、电力、汽车、智慧城市、健康医疗等领域也具有广阔的应用价值和应用前景。

source：：【数字孪生】数字孪生十问：分析与思考，北京航空航天大学，自动化科学与电气工程学院，数字孪生研究组

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智慧城市：数字孪生+虚拟城市

通过建设城市数字孪生体，以定量与定性结合的形式，在数字世界推演天气环境、基础设施、人口土地、产业交通等要素的交互运行，绘制“城市画像”，支撑决策者在物理世界实现综合效益最优化的布局。

source：赛迪，中国电子信息产业发展研究院，数字孪生白皮书（2019年）

目前已经开始实施的数字孪生城市项目是虚拟新加坡（Virtual Singapore），虚拟新加坡(Virtual Singapore)由NRF(新加坡国家研究基金会)和Dassault Systems（达索）合作开发，包含静态和实时数据，解决城市能耗、废物处理、社区导航、交通规划、疾病传播等问题。

图片来源于网络

2014年-2016年期间虚拟新加坡项目已完成城市空间初步数据采集，包括地理信息、城市设施(公交站、路灯、交通信号灯、高架桥)

随着城市数字模型的扩充与发展，数字孪生技术将覆盖城市的每条电力线、变电站、污水系统、供水和排水系统、城市应急系统、Wi-Fi网络，高速公路，交通控制系统等所有看见或看不见的地方。

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智慧医疗：数字孪生+医疗服务

达索、海信等公司尝试将数字孪生与医疗服务相结合，实现人体运行机理和医疗设备的动态监测、模拟和仿真，可加快科研创新向临床实践的转化速度、提高医疗诊断效率、优化医疗设备质控管理。

source：赛迪，中国电子信息产业发展研究院，数字孪生白皮书（2019年）

达索系统有一个非常著名的项目叫数字心脏（Living Heart），在数字世界构建一个数字孪生的心脏。这项工作的基础是，通过研究心脏生物学、物理学、化学的作用规律，研究心脏是如何泵送血液，患者口服降压药后药物分子怎么作用于心脏，捕捉心脏如何通过生物电控制每股肌肉纤维产生收缩力，还原复制人类心脏的真实运行，基于对心脏物理、化学、生物规律完全掌握的基础上，构建一个数字心脏。

图片来源于网络

数字心脏已经在临床上创造了许多新的价值，一是数字心脏能够提高心脏手术质量、降低手术风险；二是数字心脏在开展各类心脏临床医学的教学教研中有着至关重要的作用；三是加快了改进药物、医疗器械设计等许可通过的流程。

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智慧电站：数字孪生+电网建设

2019年，国家电网以35千伏蔡伦站为试点，率先打造国内首个“会思考”的电网设备数字孪生系统，利用传感器采集的高密度实时数据，建立真实设备在虚拟空间中的映射，准确把控设备的实时状态变化，利用环形验证、专家知识以及人工智能技术，提供设备远程运维、设备异常趋势预警、检修策略精准决策、设备缺陷精确处置等智慧决策支撑。

蔡伦站数字孪生系统索引页

蔡伦站数字孪生系统界面

2020年6月，在临港新片区，博艺站作为首座110千伏数字孪生变电站正式投运，为构建万物互联、全面感知、虚实交互的智慧城市按下“快进键”。国家电网聚焦张江、临港两大国家战略，逐步将数字孪生系统的支撑范围推广至全类型电网设备，推动从数字孪生变电站向数字孪生能源互联网的跨越升级，为地区经济社会发展提供“世界会客厅”级的供能保障。

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数据孪生的未来展望

整体来看，数字孪生技术还处于初期环节，要实现成熟运用，还必须克服许多艰难。但能够肯定的是，在数字时期的将来，数字孪生不仅仅是一项通用使能技术，也将彻底改变大家发现、认知和更新改造世界的方法。虽然目前数字孪生只能在有限的场景中得到应用，但是我们相信，随着技术不断演进，精密设备的增加，数字孪生技术应用的场景也会相应增加。

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