什么是数字孪生系统

数字双胞胎 数字孪生是什么？

小枣君今天要给大家介绍的是一个听起来很高的概念——数字孪生。相信很多人都听说过数字孪生。在过去的几年里，这个词的流行程度一直在上升，经常出现在主要峰会论坛的演讲主题中，引起了业内外的关注。数字孪生到底是什么？是谁提出来的？它会给我们的生活带来什么样的变化？带着这些问题，让我们来看看今天的文章——什么是数字孪生？ 数字孪生，英文名字叫Digitall Twin(数字双胞胎)，又称数字映射、数字镜像。其官方定义非常复杂，如下：数字双胞胎，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、多规模、多概率模拟过程，在虚拟空间中完成映射，反映相应物理设备的整个生命周期过程。看晕了吧？事实上，简单地说，数字孪生是在设备或系统的基础上创建数字版的“克隆体”。这种“克隆体”，又称“数字孪生体”。它是虚拟的，创建在信息平台上。也许你会说，这不是电脑上的设计图纸吗？CAD做不到？其实不然。与设计图纸相比，数字双胞胎最大的特点是动态模拟实体对象（称为“本体”）。也就是说，数字孪生体会“移动”。而且，数字孪生体不是随便“动”的。它“移动”的基础，来自本体的物理设计模型，传感器反馈的数据，以及本体运行的历史数据。说白了，本体的实时状态和外部环境条件都会复制到“孪生”身上。如果需要改变系统设计，或者想知道系统在特殊外部条件下的反应，工程师可以在孪生体上进行“实验”。这样既避免了对本体的影响，又提高了效率，节约了成本。除了“移动”，理解数字孪生还需要记住三个关键词，即“全生命周期”、“实时/准实时”、“双向”。数字孪生是一个起源于工业的概念。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双胞胎可以贯穿整个产品周期，包括设计、开发、制造、服务、维护甚至报废和回收。它不仅限于帮助企业更好地制造产品，还包括帮助用户更好地使用产品。实时/准实时是指本体和双胞胎之间可以建立全面的实时或准实时联系。两者并非完全独立，映射关系也具有一定的实时性。双向是指本体和双胞胎之间的数据流可以是双向的。不仅本体可以将数据输出到双胞胎中，双胞胎也可以将信息反馈给本体。根据双胞胎反馈的信息，企业可以进一步行动和干预本体。数字孪生的起源 说到“数字孪生”概念的发明者，业内没有明确的说法。许多人认为数字孪生是密歇根大学教授Michael Grieves博士于2002年提出。Michael Grieves博士，但这种说法没有书面文献或资料可以支持。Michael Grieves博士在2014年发表的一篇文章中，曾在2002年密歇根大学PLM中心的一次演讲中“追溯”自己，提到了类似数字孪生的概念。他还“追溯”了自己在2003年高管培训中提出的“物理产品数字等同体或数字孪生体概念”。然而，没有确凿的文献或图像数据证据。“数字孪生”概念的提出者是美国空军研究实验室（AFRL，Air Force Research Laboratory）。2011年3月，美国空军研究实验室结构力学部的Pamelalallla 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(基于状态维护 第一次明确提到数字孪生，结构完整性&战斗机身数字孪生)。当时，AFRL希望实现战斗机维护的数字化，而数字孪生是他们想出的创新方法。当时，AFRL希望实现战斗机维护的数字化，数字双胞胎是他们想出的创新方法。当美国空军意识到数字双胞胎具有很强的实用意义时，另一家公司也对数字双胞胎产生了浓厚的兴趣，即美国通用电气（GE）。美国通用电气公司（GE）在为美国国防部提供F-35联合攻击机解决方案时，美国通用电气公司发现了数字双胞胎的价值。不知道大家还记不记得小枣君之前介绍工业4.0的文章？是的，美国通用电气公司是美国先进制造战略(美国版工业4.0)的主要驱动力。当时，美国通用一直致力于研究工业数字化以及如何构建工业互联网系统。显然，数字孪生对工业4.0非常有用，可以说是鱼得水。后来，德国西门子(德国工业4.0的代表企业)也拥抱了数字孪生，并将其视为宝藏。2015年左右，中国也开始跟进。当时，许多国内研究机构和企业，包括工业4.0研究院，都启动了数字双胞胎相关研究课题。从那以后，数字孪生的概念开始在互联网和行业流行起来，直到今天。数字孪生的价值 建造一个数字孪生体，为什么要说它会影响第四次工业革命的发展？它能给传统产业带来什么好处？让我们通过案例来解释。工业制造数字孪生起源于工业制造领域。工业制造也是数字双胞胎的主要战场。当我们在生产过程中介绍数字孪生模型（图片来自德勤大学出版社）的概念时，我们实际上已经提到了这一点。在产品研发过程中，数字双胞胎可以虚拟构建产品数字模型，进行模拟测试和验证。在制造过程中，可以模拟设备的运行，以及参数调整带来的变化。数字双胞胎可以有效地提高产品的可靠性和可用性，降低产品研发和制造的风险。数字孪生也可以在维护阶段发挥重要作用。正如前面所说，美国空军为了帮助更好地维护战斗机，提出了数字双胞胎。采用数字双胞胎技术，通过连续收集和智能分析运行数据，可以预测维护工作的最佳时间点，也可以为维护周期提供参考。数字双胞胎还可以提供故障点和故障概率的参考。数字双胞胎给工业制造业带来了明显的效率和成本下降，使得几乎所有的工业巨头都蜂拥而至。以美国通用公司为例。他们声称自己为每个引擎、涡轮和核磁共振创造了一个数字双胞胎(GE截至2018年已有120万个数字双胞胎)。通过这些真实的数字模型，工程师可以在虚拟空间进行调试和实验，使机器的运行效果达到最佳。国内很多工业科技企业也有数字双胞胎技术的布局，包括树根互联、研华科技、软通动力等。除了工业制造，智慧城市还有数字孪生和5G、智慧城市也有非常密切的关系。众所周知，5G将开启“万物互联”时代，使人类的连接技术达到前所未有的高度。未来，在5G的支持下，云与端之间可以建立更紧密的连接。这意味着将收集和集中更多的数据。这些数据有助于构建更强大的数字孪生体。例如，数字孪生城市。如今，我们的城市里到处都是各种各样的传感器和摄像头。这些终端采集的数据可以通过物联网技术更快地提取，包括5G。在数字双胞胎城市，基础设施（水、电、气、交通等）的运行状态、市政资源（警察、医疗、消防等）的部署将通过传感器、摄像头、数字化子系统收集，并通过5G等物联网技术传输到云。基于这些数据和城市模型，城市管理者构建数字孪生体，从而更有效地管理城市。与工业制造的“产品生命周期”相比，城市的“生命周期”更长，数字孪生带来的回报更大。当然，城市数字孪生也更难部署。事实上，印度海德拉巴、新加坡、中国深圳和雄安都在探索和尝试这方面。大量投资涌向“智慧城市” 数字孪生应用场景。Virtual Singapore阿里的“城市大脑”计划(虚拟新加坡)、科大讯飞的“数字平行世界”和“讯飞超脑”都涉及到智慧城市与数字孪生的结合。基础设施工程也是数字双胞胎的重要应用领域。特别是对于中国这个“基础设施狂魔”来说，引入数字孪生更有意义。在建设高速公路、桥梁等基础设施之前，我们完成了项目的数字建模，然后在虚拟数字空间中模拟和模拟项目，评估项目的结构和承载能力，并导入流量数据，评估项目是否能满足投入使用后的需要。工程交付后，还可以在维修阶段评估工程能否承受特殊情况的压力。监测可能发生的事故隐患。除上述领域外，医疗、物流、环保等多种场景均适用于数字双胞胎技术，应用场景非常广泛。结 语 总之，数字孪生是一项潜力巨大的前沿技术，会给企业带来丰厚的价值回报。正因为如此，很多投资机构趁机炒数字孪生的概念，很多企业迫不及待地想拥抱数字孪生。根据2019年初全球知名咨（zi）询公司Gartner的调查，部署物联网的企业和组织中有13%使用数字双胞胎，62%的组织正准备使用数字双胞胎。Gartner还将数字孪生列为2019年十大战略技术趋势。然而，我们仍然应该理性地看待数字孪生。拥抱数字双胞胎不仅需要深度的技术沉淀，还需要巨大的资本投资，还需要达到相应的管理水平和员工技能水平。现阶段，大多数国内企业都不具备这一条件。如果盲目跟风，仓促上马，投资很可能会赔钱。相对而言，专注于研究、客观评估和谨慎投资是打开数字双胞胎世界的正确姿态。好了，今天的内容到此为止。感谢您的耐心阅读。下次见！参考文献：1、德勤2，工业4.0和数字孪生、谁提出了数字孪生体？》，工业4.0研究院3、陈龙4号：数字孪生：为城市和你创造虚拟副本、埃森哲的数字孪生:打造生力产品，重塑客户体验

数字孪生连接是什么？ 什么是数字孪生智能制造？