浅析数字孪生技术

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星期三

2020年12月

验“金”室

近年来，数字孪生（Digital Twin）在全球的搜索热度急剧上升，受到了全球学术界、产业界越来越多的关注。2020年11月11日，由工信部中国电子技术标准化研究院牵头编写的2020年《数字孪生应用白皮书》在中国国际高新技术成果交易会发布，该事件反映出数字孪生对我国经济社会发展的影响日益深刻。

一、数字孪生是什么

数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体（也称“数字孪生体”），借助历史数据、实时数据以及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段。

图1 数字孪生的概念

二、数字孪生的典型特征

数字孪生具有保真性、可计算性、闭环性等典型特征。

1.保真性

指虚拟实体与物理实体不仅要在外观和几何结构上高度仿真，而且还要在状态等其他方面保持完全一致。

2.可计算性

基于虚拟实体，可通过仿真、计算和分析来实时模拟并反映对应物理实体的状态和行为。

3.闭环性

数字孪生技术从物理实体采集数据到建立虚拟实体并结合数据、算法模型，对物理实体进行描述、诊断、预测和决策，最后通过虚拟实体下发指令反向控制物理实体，构成了一个反馈优化的闭环。

三、数字孪生的商业价值

数字孪生以全面数字化的形式对某一物理实体过去和目前的行为或流程进行动态呈现，具有很高的潜在商业价值。

表1 数字孪生的潜在商业价值

四、数字孪生应用探索

数字孪生以数字化手段将物理实体构建成虚拟模型，成为连接物理世界和信息世界的纽带。目前，业界部分公司已开展数字孪生技术在各领域的探索与实践。

1.数字化设计

美国通用电气公司GE为每个引擎、每个涡轮、每台核磁共振创造一个虚拟实体，通过这些拟真的数字化模型在数字空间进行调试、试验即可知道如何让机器效率达到最高，只需将最优方案应用于实体模型上即可。通过数字孪生，企业可以合理规划产品，避免进行重复的物理实体验证、试验，浪费大量时间及成本。

2.虚拟工厂

西门子、东方国信等公司综合运用数字孪生技术，在数字空间打造映射物理空间的虚拟车间、数字工厂，推动物理实体与数字虚体之间数据双向动态交互，根据数字空间的变化及时调整生产工艺、优化生产参数，提高生产效率。

图2 虚拟工厂

3.设备预测性维护

美国国防部最早提出将数字孪生技术用于航空航天飞行器的健康维护与保障。在数字空间建立真实飞机的虚拟实体，通过传感器实现与飞机真实状态完全同步，这样每次飞行后，可根据结构的现有情况和过往负荷，及时分析评估是否需要维修、能否承受下次的任务负荷等。

图3 数字孪生技术应用于航空航天飞行器

4.智慧孪生城市

基于数字孪生与全域数字化融合技术，将物理城市精准映射到数字环境，形成数字孪生城市；再通过城市科学模拟与仿真系统对城市进行科学预测，为城市管理者与企业提供有效的决策辅助，助力城市的发展规划和运营管理、产业转型与善政惠民。

图4  智慧孪生城市

五、数字孪生在金融行业的应用思路

金融行业以对外提供虚拟金融服务为主，业务产品运行在实体的IT系统上，未来，可以将研发-测试-生产的过程、物理生产系统等物理实体，在数字化空间中构建一套与之对等的虚拟生产系统，通过模拟仿真实现对物理生产系统全生命周期运营管理的优化，以达到降本增效的目的。

1.研发、测试流程

在数字空间构建生产环境的数字化模型，供研发、测试流程统一使用，减少对实际测试设备、环境的依赖。

2.生产运维

在虚拟环境模拟生产运行情况，促进生产环境的健康、高效运行。

3.金融产品

在数字空间构建金融产品数字化虚拟实体，客户可以在虚拟环境开展业务操作，再将结果反馈至生产系统，提高对客服务的友好度。

4.物理实体（科技设备、机房、金库等）

通过在数字空间中模拟实体设备的运行情况，再结合大数据、人工智能等技术，可对设备的运维情况进行精准预测。

虽然已有企业初步探索数字孪生技术方案及相关应用，但在实际应用过程中数字孪生仍存在诸多关键技术有待突破，如状态感知技术、高保真度的建模技术等。但是业界普遍认为数字孪生未来可期，数字孪生融合物联网、大数据和人工智能等技术能够实现对过去发生问题的诊断、当前状态的评估以及未来趋势的预测，并分析结果，模拟各种可能性，进而提供设计、生产、运维等方面的决策支持。

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