给你的机器造个数字“双胞胎”

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人类平均每250个新生儿中就会出现一对同卵双胞胎，相似的基因、生活环境和频繁的日常交流或许会潜移默化地同化着双生儿的处事方法和思考模式。双胞胎之间的息息相通也常常被称为“心灵感应”。

人们也将这种生理学的孪生理念融入到工业的发展中。通过实验室中的物理孪生体，基于实体生命周期中的基本信息，进行“模拟”获得早期预警和预测。人们将之称为“物理孪生”。例如，1969年，美国NASA在阿波罗登月项目中制造了两个完全相同的实验室/实体空间飞行器。

如果对实体建立一个数字模型，通过仿真模拟解决实际问题，便涉及到了数字孪生的领域。“数字孪生是数字模型共有特性和物理实体独有个性实时融合的全生命周期共同体。”中国飞机强度研究所所长王彬文在近日举办的第八届中国航空学会青年科技论坛上对数字孪生的内涵进行了阐述。

将虚拟与现实进行无缝对接

“2003年，密歇根大学迈克尔·格里夫斯博士在产品生命周期管理课程中最早提出数字孪生的概念，覆盖了包括从设计、制造、试验和服务在内的完整的产品全生命周期。”王彬文告诉科技日报记者，近年来，各行业也进行了大量的实践探索，不断丰富着数字孪生的形态和概念。一言以蔽之，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、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

以数字孪生在飞机监测中的应用举例，如果想要对一架飞机进行监测，则需利用飞机的各项真实数据建立一个仿真飞机模型，该模型可通过传感器实现与飞机真实状态完全同步。如此一来，每次执行飞行任务时，便可根据现有情况和过往历史数据，分析评估飞机的各项指标是否正常，是否能够承受下次的任务载荷等，以便人工及时进行检修等相关工作。

短短十数年，数字孪生引起了企业、研究机构、科研人员等的广泛关注。必应搜索“digital twin”词条信息数量达57万，百度搜索“数字孪生”信息达261万条，其中近两年的搜索量占比为62%。数字孪生之“热”可见一斑。

“热”自然有“热”的道理。数字孪生体相比于前文提及的物理孪生，不受地域分布、个体数量和时间环境的限制，可进一步丰富工业物联网的技术体系，为智能制造奠定基础。

美国通用公司为每个引擎、每个涡轮、每台核磁共振，均创造一个数字孪生体，通过这些仿真的数字化模型，在虚拟空间进行调试、试验，即可知道如何让机器效率达到最高。空客集团采用基于数字孪生的A350XWB总装生产线“智能空间”解决方案，一方面使制造流程完全可视化，工艺装备及其在总装厂内的分布情况一目了然，另一方面通过数字孪生模型预测生产中可能遇到的瓶颈，提前解决问题，不断提高总装效率。

国内也开展了数字孪生的初步探索与实践，以强度试验为例，围绕验证试验的全流程，从模型构建、虚拟试验、增强现实、数据挖掘等方面进行了实践。除此之外，国内在海洋工程、智慧城市、智能制造等多个领域也在广泛探索。

应用广泛但仍需补足短板

数字孪生引入国内仅仅几年时间，距离广泛应用还有很长的路要走。“目前数字孪生技术还面临诸多难题，可归纳为三类。”王彬文认为，高保真度的仿真建模是构建数字孪生体系的关键，数字孪生作为物理实体在数字空间的超写实动态模型，产品虚拟模型的高精度性、多物理场建模、高保真度响应模拟等是首要解决的技术难题。

王彬文指出，产品状态感知方面，由于数字孪生技术的应用以海量数据为基础，并且是基于全要素、全生命周期的数据，而有关这些数据所涉及的先进传感器技术、自适应感知、精确控制与执行技术等难题急需攻关。

“实时监测与健康预测技术也尚待完善。”王彬文强调，实时和预测是数字孪生的核心要素，一方面物理产品的数据动态实时反映在数字孪生体系中，另一方面，数字孪生基于感知的大数据进行分析决策，进而控制物理产品，而其中离不开相应的高实时性数据交互、高置信度仿真预测、超级计算能力等技术能力。此外，新的设计检验方法仍需进一步探索，使物理模式的实验结果更准确、更接近真实的工况，为数字孪生体的推演提供可靠的数据支撑。

“不同专业、不同方向、不同领域均能细化、演化出属于自己行业的数字孪生核心技术。”王彬文指出，除此之外，作为一种严谨的数字映射系统，数字孪生技术在众多行业中具有广泛普适性。

未来，数字孪生也可结合物联网的数据采集、大数据处理和人工智能建模分析，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，并给予分析结果，模拟各种可能性，提供更全面的决策支持。

“应充分认识到，数字孪生技术所涉及的理念、方法具有超前性，亟须各个层级尤其是青年科技者的广泛参与，应尽快建立起规范化、普适性的定义和相关标准。”王彬文指出。此外，数字孪生是数字化发展的高级阶段，应结合企业数字化发展基础，与数字化、信息化发展历程融合推进。

“因此，实现其广泛应用和系统完善是一个长期过程，不可能一蹴而就。”王彬文表示，美国空军研究实验室计划2025年才能在交付飞行器的同时交付其对应的数字孪生体，美国《航空周报》预测到2035年，当航空公司接收一架飞机的时候，才能伴随着一架高度详细的数字模型。由此可见，数字孪生的发展道路漫长且须上下求索。

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在虚拟空间中再造一座城

数字孪生城市是数字孪生技术在城市层面的广泛应用，通过构建城市物理世界、网络虚拟空间的一一对应、相互映射、协同交互的复杂巨系统，在网络空间再造一个与之匹配、对应的孪生城市，实现城市全要素数字化和虚拟化、城市全状态实时化和可视化、城市管理决策协同化和智能化，形成物理维度上的实体世界和信息维度上的虚拟世界同生共存、虚实交融的城市发展格局。

虚拟空间上构建的城市映像叠加在城市物理空间上，将极大地改变城市面貌，重塑城市基础设施，形成孪生互动的城市发展新形态；借助更泛在、普惠的感知，更快速的网络，更智能的计算，一种更加智慧化的新型城市将得以创建。不久后的将来，以数字孪生城市为代表的新型智慧城市建设，将让城市生活变得更美好。