作為工業(yè)4.0的重要基石，數(shù)字孿生可以實現(xiàn)現(xiàn)實與虛擬的緊密鏈接，從而在制造業(yè)、城市規(guī)劃和醫(yī)療健康等多個領域有著廣泛的應用。本文對數(shù)字孿生的技術進行了詳細的講解和說明，希望能對有興趣了解的同學有所幫助。

“數(shù)字孿生”英文為“Digital Twin”，最早用于航空航天飛行器的健康維護與保障，其第一步就是先1：1還原出該物體，建立一模一樣的3D數(shù)字模型。

舉個例子：對于建立一套樓宇的數(shù)字孿生可視化系統(tǒng)而言，首要任務是通過數(shù)字化技術還原整棟樓宇的3D數(shù)字模型。這包括每一層的空間結構、管道位置、暖通設施、公共照明、消防設施、電梯樓道等諸多方面。隨后，連接各類物聯(lián)設備成為下一步關鍵，涵蓋煙霧探測器、區(qū)域監(jiān)控、電子圍欄、門禁道閘以及AI識別系統(tǒng)等。通過這樣的同步連接，整個樓宇區(qū)域的客觀真實樣貌得以還原。最終，管理運營者可通過一個大屏輕松實時監(jiān)控整個樓宇的運行狀態(tài)。

借助數(shù)字化技術，將現(xiàn)實世界與虛擬世界融合的先進技術。它通過對物理實體進行數(shù)字建模，創(chuàng)造出對應的虛擬實體，從而實現(xiàn)了現(xiàn)實與虛擬的緊密連接。數(shù)字孿生技術不僅在制造業(yè)、城市規(guī)劃、醫(yī)療健康等多個領域具有廣泛的應用前景，同時被稱為是“工業(yè)4.0”的重要基石。

一、數(shù)字孿生的構成

數(shù)字建模： 數(shù)字孿生的基礎是通過數(shù)字建模技術對物理實體進行詳細的數(shù)學和幾何描述。包括使用GIS建模、航拍建模、手工建模、BIM建模等方式，以高精度還原物體的形狀、結構和特征。

傳感器技術： 實時數(shù)據(jù)的采集對于數(shù)字孿生至關重要。各種傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、運動傳感器等，用于監(jiān)測物體的各種屬性和狀態(tài)。這些傳感器生成的數(shù)據(jù)反映了物理實體的實時狀態(tài)。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）連接： 將物理實體與數(shù)字孿生保持同步需要使用物聯(lián)網(wǎng)技術。各種物聯(lián)設備，如傳感器、攝像頭、無線通信設備等，通過互聯(lián)網(wǎng)連接，將實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)字孿生系統(tǒng)中。

實時數(shù)據(jù)同步： 數(shù)字孿生需要能夠實時同步物理實體的狀態(tài)。這就要求在數(shù)字孿生系統(tǒng)中使用高度先進的實時數(shù)據(jù)同步技術，確保數(shù)字模型與實際情況保持一致。

人工智能（AI）和分析： 數(shù)據(jù)的分析和處理是數(shù)字孿生的關鍵部分。使用人工智能和分析算法，可以從大量實時數(shù)據(jù)中提取有用的信息，幫助理解物體的行為和性能。

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虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）： 數(shù)字孿生的交互性和可視化通常通過虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術實現(xiàn)。這使得用戶能夠在虛擬環(huán)境中與數(shù)字孿生進行互動，并觀察實時數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)。

云計算： 存儲和處理大量數(shù)據(jù)需要強大的計算能力，而云計算技術為數(shù)字孿生提供了高效的解決方案。通過云端存儲和處理，數(shù)字孿生可以處理復雜的模型和大規(guī)模的實時數(shù)據(jù)。

二、數(shù)字孿生的特點

虛實映射: 數(shù)字孿生技術要求將現(xiàn)實世界中的物理對象在數(shù)字空間進行數(shù)字化表示，以實現(xiàn)物體與數(shù)字孿生之間的雙向映射、數(shù)據(jù)連接和狀態(tài)交互；

實時同步: 利用實時感知等多元數(shù)據(jù)的獲取，數(shù)字孿生能夠全面、準確、動態(tài)地反映物理對象的狀態(tài)變化，包括外觀、性能、位置、異常等方面。

共生進化: 在理想狀態(tài)下，數(shù)字孿生子應涵蓋孿生子對象從設計、生產(chǎn)、運營到報廢的整個生命周期，實現(xiàn)映射和同步狀態(tài)，使得孿生子能夠隨著對象生命周期的進展不斷演化和更新；

閉環(huán)優(yōu)化: 構建雙生子的最終目標是通過對物理實體內部機理的描述、規(guī)律的分析和趨勢的洞察，形成基于分析和仿真的對物理世界的優(yōu)化指令或策略，從而實現(xiàn)物理實體的閉環(huán)決策優(yōu)化功能。

數(shù)字孿生系統(tǒng)的通用參考架構（圖片來自《數(shù)字孿生體白皮書》）

三、數(shù)字孿生標準體系

數(shù)字孿生標準體系可包含以下部分：

（圖片來自數(shù)字孿生百度百科）

四、數(shù)字孿生的三個階段

1. “以虛擬實”

這個階段主要集中在數(shù)字孿生的創(chuàng)建和設計。在這一階段，物理實體的數(shù)據(jù)被收集，并在數(shù)字空間中進行數(shù)字化表示，以構建數(shù)字孿生的虛擬實體。

這包括建立模型、算法和數(shù)據(jù)結構，確保數(shù)字孿生在理論上準確地反映實際物體或過程。

2. “以虛映實”

進入這個階段后，數(shù)字孿生體與實際物理實體之間建立了雙向映射、數(shù)據(jù)連接和狀態(tài)交互。數(shù)字孿生體在實時感知等多元數(shù)據(jù)的支持下，能夠全面、準確、動態(tài)地反映物理實體的狀態(tài)變化，包括外觀、性能、位置、異常等方面。

這個階段旨在實現(xiàn)數(shù)字孿生體與實際物體的高度同步。

3. “以虛控實”

在這個階段，數(shù)字孿生體不僅僅是對物理實體的反映，還涉及對物理實體的實時控制。數(shù)字孿生體通過分析模型和算法，提供了對實際物體內部機理的深刻理解。

這使得數(shù)字孿生體可以用于制定基于分析和仿真的優(yōu)化指令或策略，從而實現(xiàn)對物理實體的實時閉環(huán)決策和優(yōu)化功能。

這個階段的目標是通過數(shù)字孿生體實現(xiàn)對實際物體的更主動、精細化的控制和優(yōu)化。

（圖片來自《數(shù)字孿生：為城市和你創(chuàng)造一個虛擬副本》歸納的數(shù)字孿生城市發(fā)展層次 | 集智俱樂部）

五、五維模型

1. PE 實體：單元級（Unit）、系統(tǒng)級（System）和復雜系統(tǒng)級（System of systems）三個層級。
2. VE 虛擬實體：幾何模型（G>v：幾何參數(shù)和（裝配）關系）、物理模型（P>v：物理屬性、約束、特征信息等，如結構、流體、電磁場等）、行為模型（B>v：隨時間的演化行為、動態(tài)功能行為、性能退化行為等，如狀態(tài)機、馬爾科夫鏈等）和規(guī)則模型（R>v：基于歷史關聯(lián)數(shù)據(jù)規(guī)律規(guī)則、基于隱形知識總結或相關領域標準等）。
3. Ss 服務：功能性服務（FService：面向VE的模型管理服務、面向DD的數(shù)據(jù)管理與處理服務、面向CN的綜合連接服務）和業(yè)務性服務（BService：操作人員使用指導、終端用戶使用方法等）。
4. DD 孿生數(shù)據(jù)：PE數(shù)據(jù)（D>p：體現(xiàn)PE的規(guī)格、功能、性能、關系等物理要素屬性與反應PE運行情況、實時性能、環(huán)境參數(shù)、突發(fā)擾動等數(shù)據(jù)）、VE數(shù)據(jù)（D>v：對應VE的四條）、Ss數(shù)據(jù)（D>s：對應Ss的兩條）、知識數(shù)據(jù)（D>k：專家知識、行業(yè)標準、常用算法庫、模型庫等）和融合衍生數(shù)據(jù)（D>f：對前四者進行數(shù)據(jù)轉換、預處理、分類、關聯(lián)、集成、融合等相關處理后得到的衍生數(shù)據(jù)）。
5. CN 各部分連接：CN_PD（傳感器數(shù)據(jù)傳輸，可使用MTConnect、OP-UC、MQTT等協(xié)議）、CN_PV、CN_PS、CN_VD（可使用JDBC、ODBC等數(shù)據(jù)庫接口）、CN_VS（可使用Socket、RPC、MQSeries等軟件接口）和CN_SD（可使用JDBC、ODBC等數(shù)據(jù)庫接口）。

六、技術涉及內容

數(shù)字孿生技術牽涉廣泛，以下是作為數(shù)字孿生工程師所需掌握的技術架構框架。

該框架涵蓋了不僅限于以下5個技術方向：

1. 敏捷的基于模型的系統(tǒng)工程Agile MBSE；
2. HDL語言仿真軟件ModSim；
3. 人工智能(AI)和機器學習(ML)；
4. 3D CAD和3D打印；
5. 虛擬和增強現(xiàn)實(VR/AR)。

相應的軟件主要分為三大類：

1. 數(shù)字孿生平臺軟件
2. 數(shù)字孿生建模軟件
3. 數(shù)字孿生仿真軟件

七、典型應用場景

1. 交通領域

智能交通作為數(shù)字孿生智慧城市應用的焦點之一，正日益受到關注。

隨著城市化進程的加速，城市交通網(wǎng)絡的復雜性不斷增加。傳統(tǒng)的人為交通管理方式效率低下，車輛跟蹤困難等問題已成為城市高效運行的制約因素。

數(shù)字孿生技術借助多種傳感器和網(wǎng)絡通信技術，實現(xiàn)對道路基礎設施全生命周期的動態(tài)監(jiān)控，精準定位道路參與者。同時，結合數(shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù)可視化等技術，構建數(shù)字孿生智能交通系統(tǒng)，可幫助交管部門提前制定交通應急疏散預案，有效緩解交通擁堵問題。

2. 水利領域

運用云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、虛擬現(xiàn)實等新一代信息技術，采集全量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)江河水庫、水網(wǎng)建設、工程調度等的可視化展示，并進行智能化模擬和前瞻性預演。

借助視頻孿生技術，水利實景的數(shù)字孿生時空底座得以成功構建，精細地還原了水利業(yè)務全場景和全要素態(tài)勢。同時，水利專業(yè)數(shù)據(jù)底板得以建立，有效整合了水利各部門現(xiàn)有信息系統(tǒng)的各類數(shù)據(jù)資源。

通過結合孿生場景與動態(tài)仿真推演能力，并融入5G、大數(shù)據(jù)、云計算、AI、融合通信等前沿技術，實現(xiàn)了信息、技術、設備與水利管理需求的深度融合。這一創(chuàng)新舉措全面支撐了“2+N”水利智能業(yè)務應用體系，覆蓋了流域總覽、流域防洪監(jiān)測、水庫監(jiān)測、水利調度、智慧水務、河湖巡檢等多個業(yè)務領域。

此外，數(shù)據(jù)分析、對象管理、對象剖分、設備控制、實時告警管理、虛擬漫游等豐富功能的提供，為水利業(yè)務應用提供了強大的支持，有效提升了水利跨部門決策和資源協(xié)調的效率。

3. 園區(qū)領域

數(shù)字孿生技術為零碳智慧園區(qū)提供全方位支持，助力實現(xiàn)雙碳目標。

在數(shù)字孿生的引領下，智慧園區(qū)管理得以全面優(yōu)化，包括運營、安防、業(yè)務等方面，從而實現(xiàn)管理成本的降低和工作效率的提升，同時改善員工的工作與生活體驗。

隨著我國“雙碳”戰(zhàn)略的推進，零碳園區(qū)迅速崛起。據(jù)國際能源署數(shù)據(jù)顯示，我國工業(yè)園區(qū)的能源消耗占全社會總能耗的69%，碳排放量占全國總排放量的31%，且呈持續(xù)增長態(tài)勢。因此，零碳園區(qū)的建設顯得尤為重要，成為智慧園區(qū)未來發(fā)展的必然趨勢。

數(shù)字孿生技術為零碳園區(qū)建設提供了有效的支持。通過數(shù)字孿生園區(qū)基礎設施，結合傳感技術采集碳排放相關數(shù)據(jù)，再利用AI算法進行碳排放規(guī)劃、碳計算、能效監(jiān)控等方面的模擬與預測工作。

這樣的舉措有助于構建高效、安全、智慧的零碳園區(qū)，加速實現(xiàn)園區(qū)雙碳目標。

4. 工業(yè)制造領域

利用實景數(shù)字孿生場景，綜合運用大數(shù)據(jù)、人工智能、時空位置智能等前沿技術進行全面態(tài)勢分析。通過打造領導駕駛艙，實現(xiàn)對工廠生產(chǎn)、安全、設備、環(huán)境、告警等各方面綜合態(tài)勢的直觀掌控。

在孿生場景中，通過接入人員定位和業(yè)務系統(tǒng)，可以直觀地監(jiān)測車間工人是否在自己的工位上，了解他們正在執(zhí)行的任務以及工作效率和連續(xù)工作時間。當人員出現(xiàn)在危險區(qū)域時，系統(tǒng)將自動發(fā)出對講機呼叫告警。

同時，整個車間設備的運行狀況也能一目了然。我們可以輕松發(fā)現(xiàn)哪個加工中心已經(jīng)連續(xù)運行超過設定的天數(shù)，哪臺車床經(jīng)常處于閑置狀態(tài)，以及哪個齒輪箱的高速軸承溫度超標、哪臺電機存在振動超標等情況。

系統(tǒng)對這些數(shù)據(jù)進行實時分析，準確預測設備的運行狀況。任何有問題的部位都會通過3D可視化手段直觀展示出來，以便管理人員及時排查隱患。

工業(yè)企業(yè)通過物聯(lián)網(wǎng)及邊緣計算上傳相關數(shù)據(jù)后，使用數(shù)字孿生技術可以完成生產(chǎn)、能耗、設備、設計、制造管理等工作，進而實現(xiàn)提質、降本、創(chuàng)收、 增效四大價值。

5. 城市應急領域

通過數(shù)字化建模和仿真，構建城市應急情景模型，對不同應急情景進行模擬和演練，并預測各種緊急情況的影響和后果，并提前采取措施進行應對。

將城市實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行整合和分析，預測可能存在的災害風險和隱患；也可以模擬災難預警情景，提前發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患。

通過傳感器收集空氣質量、溫度、濕度等數(shù)據(jù)，對城市環(huán)境進行監(jiān)測和評估，模擬城市環(huán)境污染、氣象變化等情況。

對危險品運輸路線、裝卸場所等進行監(jiān)測，同時對危險品事故進行還原和分析，保障公眾安全；模擬并預測事故，對應急措施進行演練。

6. 能源電力領域

電力數(shù)字孿生技術利用大數(shù)據(jù)支持，深度挖掘物理世界電網(wǎng)運行全過程數(shù)據(jù)信息，并進行模型構建。這些模型以全覆蓋、多維度、無限近真的方式投射至虛擬世界，使實體電網(wǎng)與虛擬電網(wǎng)處于交互映射狀態(tài)。

實體電網(wǎng)負責基本供電功能，而虛擬電網(wǎng)則用于智慧解析、智能決策、實時全方位監(jiān)測電網(wǎng)運行狀態(tài)，并預測未來發(fā)展趨勢。系統(tǒng)會發(fā)送狀態(tài)報告和預警報告至人工接收臺，以確保實體電網(wǎng)能夠在第一時間得到維護，及時阻斷故障發(fā)展，保障電網(wǎng)經(jīng)濟高效、安全穩(wěn)定運行。

電力數(shù)字孿生技術全面優(yōu)化電網(wǎng)運行策略，助力電網(wǎng)運維向智能化、精益化、高效化轉型升級。

7. 醫(yī)療領域

首先，醫(yī)療專業(yè)人員可以利用數(shù)字孿生模型，根據(jù)患者的生理特征和疾病狀態(tài)，設計個性化的治療方案，從而提高治療效果并減少不良反應。

其次，數(shù)字孿生可用于模擬手術過程，協(xié)助醫(yī)生進行手術規(guī)劃，通過實踐和調整提高手術成功率并減少并發(fā)癥的風險。

此外，基于數(shù)字孿生模型，醫(yī)療研究人員能夠分析生理特征與疾病之間的關聯(lián)性，預測個體患病風險并采取預防措施。

最后，數(shù)字孿生可用于模擬藥物在人體內的作用，加速藥物研發(fā)過程，預測藥物的有效性和安全性，從而減少動物試驗和臨床試驗的成本和時間。

八、總結與展望

數(shù)字孿生技術的未來充滿了無限可能性。它已經(jīng)在多個領域證明了自己的價值，如工業(yè)制造、醫(yī)療保健、城市規(guī)劃等。

隨著技術的不斷進步，數(shù)字孿生將更加智能化和自主化，能夠更好地模擬真實世界，并為我們提供更加精確、實時的數(shù)據(jù)和反饋。

未來，我們可以期待數(shù)字孿生技術與虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等技術的深度融合，為用戶帶來更加沉浸式的體驗。

綜上所述，數(shù)字孿生技術的未來將會持續(xù)引領著科技創(chuàng)新的潮流，為我們的生活和工作帶來更多的便利和可能性。

文章至此告一段落，深知其中或有疏漏與不足。懇請各位讀者不吝賜教，積極留言反饋與補充，若有不當之處，更望各位指正。期待在評論區(qū)與您相見，共同探討，共同進步！

參考資料

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2. 陶飛,劉蔚然,張萌,胡天亮,戚慶林,張賀,隋芳媛,王田,徐慧,黃祖廣,馬昕,張連超,程江峰,姚念奎,易旺民,朱愷真,張新生,孟凡軍,金小輝,劉中兵,何立榮,程輝,周二專,李洋,呂倩,羅椅民.數(shù)字孿生五維模型及十大領域應用[J].計算機集成制造系統(tǒng),2019,25(01):1-18.DOI:10.13196/j.cims.2019.01.001.
3. 數(shù)字孿生應用白皮書2020：http://www.cesi.cn/202011/7002.html
4. 《數(shù)字孿生：為城市和你創(chuàng)造一個虛擬副本》：https://www.huxiu.com/article/303182.html