数字孪生的前世今生

“数字孪生”的来源

2003年，美国密歇根大学的Michael Grieves教授在产品全生命周期管理的课程是提出了ConceptualIdeal for PLM的概念，通过在虚拟空间构建数字模型与物理实体交互映射，描述实体的生命周期。初步产生了数字孪生的概念。2010年，NASA,也就没干过国家航空航天局在太空技术路线图中首次引入了数字孪生的概念；2011年，联合美国空军实验室明确提出了面向未来飞行器的数字孪生体技术，列为驱动未来技术发展的关键技术之一。

什么是“数字孪生”

2011 年，Michael Grieves 教授在《几乎完美：通过PLM驱动创新和精益产品》给出了数字孪生的三个组成部分：物理空间的实体产品、虚拟空间的虚拟产品、物理空间和虚拟空间之间的数据和信息交互接口。字孪生是个普遍适应的理论技术体系，可以在众多领域应用，在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域应用较多。在国内应用最深入的是工程建设领域，关注度最高、研究最热的是智能制造领域。

数字孪生技术的基础框架

连接层（数字支撑技术）是数字孪生的底层架构部分。基础支撑层主要包括芯片、传感器、边缘计算和监控，用于数字孪生中数据的采集和向网络发送。映射层（数字线程）是数字孪生的信息互动部分。完成数字孪生中的信息采集、信息传输与同步和信息增强。映射层（数字孪生体）型构建是数字孪生的核心组成部分。模型构建层提供获取数据和建立数字化模型服务，包括测绘扫描、几何建模、网格剖分、系统建模、流程建模、组织建模等技术。仿真分析层是数字孪生的动态预测部分。决策层（人机交互）是数字孪生在不同场景的解决方案。

数字孪生技术的特点

多领域

数字孪生的建模，根据应用场景的不同，涉及不同的领域；主要有数学、物理、化学、生物学、地球学科、美术等。比如，电力行业中配电站的数字孪生的应用，需要涉及电力学，流体力学，热力学等。目前大多数的数字孪生公司，还是停留在简单建模的阶段，在细分应用领域上，并没有很深的挖掘，客户的痛点和价值没有得到充分的体现。所以，数字孪生技术的深度发展，是未来企业发展差异化的要点之一。

多维度

数字孪生想要对物理系统进行实时的映射，除了物理空间上的尺寸数据外，还需要时间数据，甚至光学数据，压力数据，风力数据，温湿度数据等。如此，设计出来的数字孪生体，才能接近物理实体，更加准确更有效率地实现对物理实体的映射。

依赖数据

没有数据，就没有数据孪生体。而数据的收集，就涉及到各类传感器的应用，比如流量传感器，速度传感器，液位传感器，压力传感器，温湿度传感器，光学传感器等。所以，数字孪生技术的发展，不仅取决于其本身的发展，也需要上游各类传感器等对数据的收集。所以，传感器类型的拓展，传感器精度的提升，传感器空间的布置，对于数据收集的准确性和有效性至关重要。

依赖数据传输

有数据，就需要传输。搭建快速稳定的数据传输网络，将各类传感器获取的数据迅速安全地进行传输，对于数字孪生系统的运行具有重要意义。需要数据存储数字孪生系统在运行时，会产生海量的历史数据，为数据分析提供大量样本。某种程度上，数字孪生系统，让我们可以拥有回溯历史和预测未来的能力。通过历史数据，实现对现实系统的缺陷分析、故障查询等，也可以对潜在的失效进行预测，规避危险，降低损失等。数字孪生系统对于数据的实时性要求较高，优化数据的分布架构、存储方法和检索方法，就显得比较重要。可预测构建以安全私有云为核心的数据中心是未来数字孪生系统的数据存储的重点方向。

依赖数据运算

数字孪生系统的（未来）核心功能是实时映射，这就要求系统的计算能力非常强大。除了优化数据的分布架构、存储方式之外，辅以高性能的计算系统，也是数字孪生系统的基础条件。

应用场景

智能制造

智能制造，一般来讲，有几个方面的需求：研发周期短、产量最优、成本最低、安全事故0。数字孪生技术能够模拟产生大量的样本数据，有利于研发周期的缩短；数字孪生提的上帝视角能力，对于工厂的布置和安全生产会产生极为重要的作用。

城市和交通管理

智慧城市的建设、管理、应急对于数字孪生技术的应用是一个绝佳的场景。城镇化使得中国城市的数量和空间都有很大的增长，未来数字孪生技术将会是智慧城市必不可少的一个基础设施。

电力行业

目前电力行业正在积极落实数字电网的转型工作，国家电网和南方电网在最近几年的招标文件中，都提出了相应的招标要求。据行业内数据，每个数字站的招标价格在30万~120万，取决于配电站规模，比如110kV，220kV以及550kV等。

水利行业

水利行业也在积极落实数字港口，数字船闸的转型工作。2021年底，我国港口货物吞吐量累积80亿吨，每年呈递增趋势，是稳外贸的基础条件，相应的，对于港口的运营能力的提升非常强烈。除了以上所列应用场景之外，数字能源，智慧园区，智慧医院等对数字孪生技术的落地也有着切实的需求。

目前来看，数字孪生技术在电力配电站、交通、市政方面有了初步的应用，但要达到“复现历史、预测未来”的水平，还需要大量的研究工作，需要整合5G，AI，云计算，大数据相关技术，需要对各种应用场景有比较深入的理解。数字孪生是数字中国建设的一个重要的环节，虽然任重道远，但已经是“立于高山之巅远看东方已见光芒四射喷薄欲出的一轮朝日”。