什么是数字孪生？已有哪些应用？终于有人讲明白了

本文论述的数字孪生有两层意思，一是指物理实体与其数字虚体之间的精确映射的孪生关系；二是将具有孪生关系的物理实体、数字虚体分别称作物理孪生体、数字孪生体。默认情况下，数字孪生亦指数字孪生体。

01 实践先行 概念后成

数字孪生是客观世界中的物化事物及其发展规律被软件定义后的一种结果。丰富的工业软件内涵以及强大的软件定义效果，让数字孪生的研究在国内外呈现出百花齐放的态势。作者认为数字孪生与计算机辅助（CAX）软件（尤其是广义仿真软件）以及数据采集/分析的发展关系十分密切。

在工业界，人们用软件来模仿和增强人的行为方式，例如，计算机绘图软件最早模仿的是人在纸面上作画的行为。人机交互技术发展成熟后，以下模仿行为开始出现：

用CAD软件模仿产品的结构与外观

CAE软件模仿产品在各种物理场情况下的力学性能

CAM软件模仿零部件和夹具在加工过程中的刀轨情况

CAPP软件模仿工艺过程

CAT软件模仿产品的测量/测试过程

OA软件模仿行政事务的管理过程

MES软件模仿车间生产的管理过程

SCM软件模仿企业的供应链管理

CRM软件模仿企业的销售管理过程

MRO软件模仿产品的维修过程管理，等等

依靠软件中的某些特定算法，人们已经开发出了某些具有一定智能水平的工业软件，如具有关联设计效果的产品设计系统。

在文学与娱乐界，人们用软件来模仿和增强人的体验方式，例如：

用电子书来模仿纸质书

用电子音乐来模仿现场音乐

用电子琴软件来弹琴

用评书软件来说书

用卡通软件来模仿漫画

用动漫软件来模仿动画影片

用游戏软件来模仿各种真实游戏

用百年历软件来快速查找某个特殊日期或“吉时”等

人们不仅可以模仿已知的、有经验的各种事物，还可以创造性地模仿各种未知的、从未体验过的事物，例如影视界可以用软件创造出诸如龙、凤、麒麟、阿凡达、白雪公主、七个小矮人等故事中的形象，当然也可以创造出更多的闻所未闻、见所未见的各种形象。

特别是当这种模仿与VR/AR技术结合在一起的时候，所有的场景都栩栩如生，直入心境。于是，在由数字虚体构成的虚拟世界中，所有的不可能都变成有可能，所有的在物理世界无法体验和重复的奇妙、惊险和刺激场景，都可以在数字空间得以实现，最大限度地满足了人的感官体验和精神需求。

事实上，十几年前在汽车、飞机等复杂产品工程领域出现的“数字样机”的概念，就是对数字孪生的一种先行实践活动，一种技术上的孕育和前奏。

数字样机最初是指在CAD系统中通过三维实体造型和数字化预装配后，得到一个可视化的产品数字模型（几何样机），可以用于协调零件之间的关系，进行可制造性检查，因此可以基本上代替物理样机的协调功能。

但随着数字化技术的发展，数字样机的作用也在不断增强，人们在预装配模型上进行运动、人机交互、空间漫游、机械操纵等飞机功能的模拟仿真。之后又进一步与机器的各种性能分析计算技术结合起来，使之能够模拟仿真出机器的各种性能。因此将数字样机按其作用从几何样机，扩展到功能样机和性能样机。

以复杂产品研制而著称的飞机行业，在数字样机的应用上走在了全国前列。某些型号飞机研制工作在20世纪末就已经围绕着数字样机展开。数字样机将承载几乎完整的产品信息。

因此，人们可以通过数字样机进行飞机方案的选择，利用数字样机进行可制造的各种仿真，在数字样机上检查未来飞机的各种功能和性能，发现需要改进的地方，最终创建出符合要求的“数字飞机”，并将其交给工厂进行生产，制造成真正的物理飞机，完成整个研制过程。

无论是几何样机、功能样机和性能样机，都属于数字孪生的范畴。数字孪生的术语虽然是最近几年才出现的，但是数字孪生技术内涵的探索与实践，早已经在十多年前就开始并且取得了相当多的成果。

例如中国航空工业集团第一飞机研究院（简称“一飞院”）在21世纪初开发的飞豹全数字样机与已经服役的飞机形成了简明意义上的“数字孪生”（尽管当时没有这个术语）关系，如图5-1所示。

▲图5-1 飞豹全数字样机与服役飞机

发展到现在，人们发现在数字世界里做了这么多年的数字设计、仿真、工艺、生产等结果，越来越虚实对应，越来越虚实融合，越来越广泛应用，数字虚体越来越赋能于物理实体系统。

近些年，当人们提出了希望物理空间中的实体事物与数字空间中的虚拟事物之间具有可以联接数据通道、相互传输数据和指令的交互关系之后，数字孪生概念基本成形，并且作为智能制造中一种基于IT视角的新型应用技术，逐渐走进人们的视野。

事实上，现有的工业软件研发与生产数据以及沉积在工业领域内的大量的工业技术和知识，都是实现数字孪生的上好“原料”和基础构件，数字孪生在工业现实场景中已经具有了实现和推广应用的巨大潜力。

02 内涵解读 见仁见智

根据目前看到的资料，数字孪生术语由迈克尔·格里夫（Michael Grieves）教授在美国密歇根大学任教时首先提出。

2002年12月3日他在该校“PLM开发联盟”成立时的讲稿中首次图示了数字孪生的概念内涵，2003年他在讲授PLM课程时使用了“Digital Twin（数字孪生）”，在2014年他撰写的“数字孪生：通过虚拟工厂复制实现卓越制造（Digital Twin:Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication）”文章中进行了较为详细的阐述，奠定了数字孪生的基本内涵。

在航太领域和工业界，较早开始使用数字孪生术语。2009年美国空军实验室提出了“机身数字孪生（Airframe Digital Twin）”的概念。2010年NASA也开始在技术路线图中使用“数字孪生（Digital Twin）”术语。

大约从2014年开始，西门子、达索、PTC、ESI、ANSYS等知名工业软件公司，都在市场宣传中使用“Digital Twin”术语，并陆续在技术构建、概念内涵上做了很多深入研究和拓展。

数字孪生尚无业界公认的标准定义，概念还在发展与演变中。下面举例几个国内外企业或组织做的数字孪生定义，供读者参考。

美国国防采办大学认为：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、多尺度的仿真过程，在虚拟空间中完成对物理实体的映射，从而反映物理实体的全生命周期过程。

（编辑：核心网）

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