什么是数字孪生？已有哪些应用？终于有人讲明白了

ANSYS公司认为：数字孪生是在数字世界建立一个与真实世界系统的运行性能完全一致，且可实现实时仿真的仿真模型。利用安装在真实系统上的传感器数据作为该仿真模型的边界条件，实现真实世界的系统与数字世界的系统同步运行。

中国航空工业发展研究中心刘亚威认为：从本质上来看，数字孪生是一个对物理实体或流程的数字化镜像。创建数字孪生的过程，集成了人工智能、机器学习和传感器数据，以建立一个可以实时更新的、现场感极强的“真实”模型，用来支撑物理产品生命周期各项活动的决策。

上海优也信息科技有限公司首席技术官林诗万博士对数字孪生的理解是，数字孪生体可有多种基于数字模型的表现形式，在图形上，有几何、高保真、高分辨率渲染、抽象简图等；在状态和行为上，有设备运行、受力、磨损、报警、宕机、事故等；在质地上，有材质、表面特性、微观材料结构等。如图5-2所示。

▲图5-2 数字孪生示意图（来自优也公司）

北京航空航天大学张霖教授认为，“数字孪生是物理对象的数字模型，该模型可以通过接收来自物理对象的数据而实时演化，从而与物理对象在全生命周期保持一致。”

作者经过多年研究，也给出了自己的理解和定义：数字孪生是在“数字化一切可以数字化的事物”大背景下，通过软件定义和数据驱动，在数字虚体空间中创建的虚拟事物，与物理实体空间中的现实事物形成了在形、态、质地、行为和发展规律上都极为相似的虚实精确映射关系，让物理孪生体与数字孪生体具有了多元化映射关系，具备了不同的保真度（逼真、抽象等）。

数字孪生不但持续发生在物理孪生体全生命周期中，而且数字孪生体会超越物理孪生体生命周期，在数字空间持久存续。充分利用数字孪生可在智能制造中孕育出大量新技术和新模式。

03 数字孪生 非双非胎

“Digital Twin”在翻译和理解上颇有不同，歧义性发生在数字孪生应用场景中人们对“Twin”的理解上。“Twin”作为名称在英汉词典中有几种翻译结果：“孪生子之一，双胞胎之一；两个相像的人或物之一；成对、成双的东西；孪晶；双人床”。

如果仅看直译结果，双胞胎是准确翻译，但是如果仔细分析该术语的应用场景，上述翻译结果都不贴切，只有“孪生子之一”还算接近“Digital Twin”所描述的应用场景中的概念。而作者恰恰要强调的是“Digital Twin”术语的应用场景。

1. 只有“相像”而无“相等”

在相像程度上，从“生物场景/物理场景”的“Twin”，引申到“数字化场景”的“Digital Twin”，其本意是强调在数字空间构建的数字虚体与物理空间的物理实体非常相像。

但是，相像归相像，无论彼此多么像，二者也不是“是”“等于”或“相等”的关系，因为本非同源或同生，一个数字虚体无论多么像一个物理实体，它也不是物理实体——这个客观事实必须界定清楚。

“Digital Twin”描述的“相像”，通常都仅仅是指数字虚体和物理实体在外观和宏观结构上的“相像”，而从形、态、质地、行为和发展规律等多方面的评价指标来看，其实差异极大，本质本源不同。

“数字双胞胎”一词，较容易引导人们把二者完全等同起来，把“貌似一模一样”误认为“就是一模一样”甚至“相等”，从而形成认知错觉。

2. 数字孪生关系并不止于“双”

即使从“相像”来看，在所指上也并非限于“双”，因为“双”字会把更多的潜在应用场景限制住——彼此相像的虚实映射事物未必只有貌似常见的“一对一”关系，其实还有以下虚实映射对应关系：

“一对多”——一个物理实体对应多个数字虚体（一台汽车发动机可有D /N/S等不同的驾驶挡位，启动/高速/低速/磨合/磨损等不同的工作状态，对此，在车载软件中用不同的参数和软件模型来描述和调控）；

“多对一”——多个物理实体对应一个数字虚体（例如同型号不同尺寸的螺栓或铆钉对应同一个三维CAD模型）；

“多对多”——更为一般化的设备工作场景（例如设计阶段因数字化“构型/配置”不同而产生了系列化物理设备及其数字孪生体，这些设备及其数字孪生体又置身于多种实物工作场景和数字场景）。

3. 需要考虑的特殊对应模式

在一些特殊场景中，数字孪生还存在“一对少”“少对一”“一对零”“零对一”的特殊对应模式：

“一对少”——一个物理实体对应一个高度抽象的数字虚体（例如一辆高铁在调度上对应一个高度简化的数字化线框模型）；

“少对一”——以一部分物理实体对应一个完整数字虚体（例如一个齿轮副对应一个减速箱的“三维CAD模型+力学载荷模型”）；

“一对零”——因为不知其规律、缺乏机理模型导致某些已知物理实体没有对应的数字虚体（例如暗物质、气候变化规律等）；

“零对一”——人类凭想象和创意在数字空间创造的“数字虚体”，现实中没有与其对应的“物理实体”（例如数字创意中的各种形象）。

一架战斗机由数万个结构件、几十万个标准件、大量的电子元器件和机载设备构成。

在从飞机的方案设计，到初步设计、详细设计、试制、试验，再到批生产、交付、运行、维护、维修，最后再到报废的全生命周期中，一个标准件数字模型会对应成千上万个实物零件，一个实物零件也会对应产品设计模型、多个仿真模型、工艺模型、工艺仿真模型、生产模型、装配模型、维护维修模型等，由此形成了物理实体和数字虚体的多元化对应关系，即“一对一”“一对多”“多对一”“多对多”“一对少”“少对一”“一对零”“零对一”。因此只谈“一对一”就显得在理解上过于简单了。

综上所述，“Digital Twin”一词在翻译和理解时，既不应限定在“双”，也不宜理解为“胎”。该词借用“Twin”之意，所表达的是一种数字虚体与物理实体非常相像的多元化虚实映射关系。

应用场景和对应模式是多种多样的。

04 虚体测试 实体创新

数字虚体与物理实体之间的孪生关系，其实早就有之，只不过此前没有使用严格定义的术语来表达。

（编辑：核心网）

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