【励讲堂】数字孪生——一把打开“平行世界”的钥匙

通俗一点理解：就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”。

（特别鸣谢：西南交通大学冯志强仿真团队的陶玲同学

运用非光滑动力学方法实现啄木鸟力学行为仿真）

数字孪生体最大的特点在于：它是对实体对象（即“本体”）的动态仿真，而它“动”的依据，来自本体的物理设计模型，还有本体上面传感器反馈的数据，以及本体运行的历史数据。说白了就是，本体的实时状态，还有外界环境条件，都会复现到“孪生体”身上。

除了“会动”之外，理解数字孪生还需要记住三个关键词，分别是“全生命周期”、“实时/准实时”、“双向”。

数字孪生是源自工业界的概念。在工业制造领域，有一个词叫做“产品生命周期管理（PLM）”。相信很多人都听说过。

全生命周期，是指数字孪生可以贯穿产品包括设计、开发、制造、服务、维护和报废回收的整个过程。它并不仅限于帮助企业把产品更好地造出来，还包括帮助用户更好地使用产品。

而实时/准实时，是指本体和孪生体之间，可以建立全面的实时或准实时联系。两者并不是完全独立的，映射关系也具备一定的实时性。

双向，是指本体和孪生体之间的数据流动可以是双向的。并不是只能本体向孪生体输出数据，孪生体也可以向本体反馈信息。企业可以根据孪生体反馈的信息，对本体采取进一步的行动和干预。

2011年3月，美国空军研究实验室结构力学部门的Pamela A. Kobryn和Eric J. Tuegel，做了一次演讲，题目是“Condition-based Maintenance Plus Structural Integrity (CBM SI) & the Airframe Digital Twin（基于状态的维护 结构完整性&战斗机机体数字孪生）”，首次明确提到了数字孪生。

（AFRL徽标）

当时，AFRL希望实现战斗机维护工作的数字化，而数字孪生是他们想出来的创新方法。

随后，美国通用电气公司、德国西门子等企业，也跟着发现了数字孪生体的价值，并将其奉为至宝。2015年左右，中国也开始跟进。当时包括工业4.0研究院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。

数字孪生起源于工业领域。面对快速变化的市场和竞争环境，传统的实体“试错法”已难以满足竞争的需要，基于数字仿真的“模拟择优法”应运而生。它依托基于模型的产品定义（MBD）、全数字化样机、数字孪生体等一系列新技术、新理念，通过推动产品研发、验证、制造、服务业务在赛博空间的快速迭代，实现研发生产效率的大幅提升。

数字孪生以数字化方式拷贝一个物理对象，模拟对象在现实环境中的行为，对产品、制造过程乃至整个工厂进行虚拟仿真，从而提高制造企业产品研发、制造的生产效率。

与传统的产品设计不同，数字孪生技术在虚拟的三维空间里打造产品，可以轻松地修改部件和产品的每一处尺寸和装配关系，使得产品几何结构的验证工作、装配可行性的验证工作、流程的可实行性大为简化，可以大幅度减少迭代过程中的物理样机的制造次数、时间和成本。

据 Gartner 预测，到 2021 年，全球 50％的大型工业企业将使用数字孪生技术，效率提高达 10％。尤其是制造业和工程行业的公司，如果想要在竞争中保持领先地位，就需要考虑将实施数字孪生技术纳入公司的智能发展战略中。

数字孪生的真正功能在于能够在物理世界和数字世界之间全面建立准实时联系，实现物理世界与数字世界互联、互通、互操作，构建虚拟世界对物理世界描述、诊断、预测、决策新体系，优化物理世界资源配置效率。

从具体实现路径来看，数字孪生首先对物理对象各类数据进行集成，是物理对象的忠实映射。其次，数字孪生存在于物理对象的全生命周期，与其共同进化，并不断积累相关知识。最后，数字孪生不仅对物理对象进行描述，而且能够基于模型优化物理对象，最终实现对物理世界的改造。

数字孪生技术对物理世界的重建已经应用于许多领域。

波音777是世界首架无图纸、无模型、利用数字孪生设计的客机。波音777的零部件多达300万个，设计过程中没有“一张图纸”，直接进行量产。通过数字孪生技术，有效缩短研发周期40%，减少返工量50%。

在智慧城市的建设中，数字孪生提供了更多的可能性。少数城市率先利用数字孪生技术进行智慧城市管理，杭州数字孪生城市已现雏形。在杭州萧山区，通过阿里云 ET 城市大脑自动调配红绿灯，让 120 救护车到达现场时间缩短了一半，在分秒必争的急救路上，用技术为患者开出一条“绿色生命线”。借助 ET 城市大脑的力量，杭州目前已经实现交通信号灯的智能配置，试点区域通行时间减少 15.3%。

达索公司的“跳动心脏”的项目，成功地捕捉到如何通过每股肌肉纤维来产生电力，以复 制出人类心脏的真实动作。在准确地描绘整个物理过程后，模型就会自己建立起来。亲眼看到 3D 版心脏的缺陷，有助于外科医生规划最佳手术方案。

随着传统的建模仿真技术与物联网、大数据、人工智能技术的进一步融合 , 数字孪生的价值和作用将会得到更大的体现，数字孪生将会在更多领域发挥更为重要的作用。

未来，无论在制造、医疗、建筑等领域都将探索建立起一套与物理空间实时联动的运行体系，实现对制造流程、建筑结构、医学实验、城市管理等方面资源优化配置。基于“物理实体 数字孪生”的资源优化配置体系将成为数字化发展的终极模式。