人類(lèi)平均每250個(gè)新生兒中就會(huì)出現(xiàn)一對(duì)同卵雙胞胎，相似的基因、生活環(huán)境和頻繁的日常交流或許會(huì)潛移默化地同化著雙生兒的處事方法和思考模式。雙胞胎之間的息息相通也常常被稱(chēng)為“心靈感應(yīng)”。

　　人們也將這種生理學(xué)的孿生理念融入到工業(yè)的發(fā)展中。通過(guò)實(shí)驗(yàn)室中的物理孿生體，基于實(shí)體生命周期中的基本信息，進(jìn)行“模擬”獲得早期預(yù)警和預(yù)測(cè)。人們將之稱(chēng)為“物理孿生”。例如，1969年，美國(guó)NASA在阿波羅登月項(xiàng)目中制造了兩個(gè)完全相同的實(shí)驗(yàn)室/實(shí)體空間飛行器。

　　如果對(duì)實(shí)體建立一個(gè)數(shù)字模型，通過(guò)仿真模擬解決實(shí)際問(wèn)題，便涉及到了數(shù)字孿生的領(lǐng)域?！皵?shù)字孿生是數(shù)字模型共有特性和物理實(shí)體獨(dú)有個(gè)性實(shí)時(shí)融合的全生命周期共同體?！敝袊?guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所所長(zhǎng)王彬文在近日舉辦的第八屆中國(guó)航空學(xué)會(huì)青年科技論壇上對(duì)數(shù)字孿生的內(nèi)涵進(jìn)行了闡述。

　　將虛擬與現(xiàn)實(shí)進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接

　　“2003年，密歇根大學(xué)邁克爾·格里夫斯博士在產(chǎn)品生命周期管理課程中最早提出數(shù)字孿生的概念，覆蓋了包括從設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和服務(wù)在內(nèi)的完整的產(chǎn)品全生命周期?！蓖醣蛭母嬖V科技日?qǐng)?bào)記者，近年來(lái)，各行業(yè)也進(jìn)行了大量的實(shí)踐探索，不斷豐富著數(shù)字孿生的形態(tài)和概念。一言以蔽之，數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。

　　以數(shù)字孿生在飛機(jī)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用舉例，如果想要對(duì)一架飛機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，則需利用飛機(jī)的各項(xiàng)真實(shí)數(shù)據(jù)建立一個(gè)仿真飛機(jī)模型，該模型可通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)真實(shí)狀態(tài)完全同步。如此一來(lái)，每次執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)，便可根據(jù)現(xiàn)有情況和過(guò)往歷史數(shù)據(jù)，分析評(píng)估飛機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)是否正常，是否能夠承受下次的任務(wù)載荷等，以便人工及時(shí)進(jìn)行檢修等相關(guān)工作。

　　短短十?dāng)?shù)年，數(shù)字孿生引起了企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)、科研人員等的廣泛關(guān)注。必應(yīng)搜索“digital twin”詞條信息數(shù)量達(dá)57萬(wàn)，百度搜索“數(shù)字孿生”信息達(dá)261萬(wàn)條，其中近兩年的搜索量占比為62%。數(shù)字孿生之“熱”可見(jiàn)一斑。

　　“熱”自然有“熱”的道理。數(shù)字孿生體相比于前文提及的物理孿生，不受地域分布、個(gè)體數(shù)量和時(shí)間環(huán)境的限制，可進(jìn)一步豐富工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)體系，為智能制造奠定基礎(chǔ)。

　　美國(guó)通用公司為每個(gè)引擎、每個(gè)渦輪、每臺(tái)核磁共振，均創(chuàng)造一個(gè)數(shù)字孿生體，通過(guò)這些仿真的數(shù)字化模型，在虛擬空間進(jìn)行調(diào)試、試驗(yàn)，即可知道如何讓機(jī)器效率達(dá)到最高?？湛图瘓F(tuán)采用基于數(shù)字孿生的A350XWB總裝生產(chǎn)線“智能空間”解決方案，一方面使制造流程完全可視化，工藝裝備及其在總裝廠內(nèi)的分布情況一目了然，另一方面通過(guò)數(shù)字孿生模型預(yù)測(cè)生產(chǎn)中可能遇到的瓶頸，提前解決問(wèn)題，不斷提高總裝效率。

　　國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了數(shù)字孿生的初步探索與實(shí)踐，以強(qiáng)度試驗(yàn)為例，圍繞驗(yàn)證試驗(yàn)的全流程，從模型構(gòu)建、虛擬試驗(yàn)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)挖掘等方面進(jìn)行了實(shí)踐。除此之外，國(guó)內(nèi)在海洋工程、智慧城市、智能制造等多個(gè)領(lǐng)域也在廣泛探索。

　　應(yīng)用廣泛但仍需補(bǔ)足短板

　　數(shù)字孿生引入國(guó)內(nèi)僅僅幾年時(shí)間，距離廣泛應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走?！澳壳皵?shù)字孿生技術(shù)還面臨諸多難題，可歸納為三類(lèi)。”王彬文認(rèn)為，高保真度的仿真建模是構(gòu)建數(shù)字孿生體系的關(guān)鍵，數(shù)字孿生作為物理實(shí)體在數(shù)字空間的超寫(xiě)實(shí)動(dòng)態(tài)模型，產(chǎn)品虛擬模型的高精度性、多物理場(chǎng)建模、高保真度響應(yīng)模擬等是首要解決的技術(shù)難題。

　　王彬文指出，產(chǎn)品狀態(tài)感知方面，由于數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用以海量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并且是基于全要素、全生命周期的數(shù)據(jù)，而有關(guān)這些數(shù)據(jù)所涉及的先進(jìn)傳感器技術(shù)、自適應(yīng)感知、精確控制與執(zhí)行技術(shù)等難題急需攻關(guān)。

　　“實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與健康預(yù)測(cè)技術(shù)也尚待完善?！蓖醣蛭膹?qiáng)調(diào)，實(shí)時(shí)和預(yù)測(cè)是數(shù)字孿生的核心要素，一方面物理產(chǎn)品的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)反映在數(shù)字孿生體系中，另一方面，數(shù)字孿生基于感知的大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析決策，進(jìn)而控制物理產(chǎn)品，而其中離不開(kāi)相應(yīng)的高實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)交互、高置信度仿真預(yù)測(cè)、超級(jí)計(jì)算能力等技術(shù)能力。此外，新的設(shè)計(jì)檢驗(yàn)方法仍需進(jìn)一步探索，使物理模式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確、更接近真實(shí)的工況，為數(shù)字孿生體的推演提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

　　“不同專(zhuān)業(yè)、不同方向、不同領(lǐng)域均能細(xì)化、演化出屬于自己行業(yè)的數(shù)字孿生核心技術(shù)?！蓖醣蛭闹赋觯酥?，作為一種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)字映射系統(tǒng)，數(shù)字孿生技術(shù)在眾多行業(yè)中具有廣泛普適性。

　　未來(lái)，數(shù)字孿生也可結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)處理和人工智能建模分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)過(guò)去發(fā)生問(wèn)題的診斷、當(dāng)前狀態(tài)的評(píng)估以及未來(lái)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，并給予分析結(jié)果，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持。

　　“應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到，數(shù)字孿生技術(shù)所涉及的理念、方法具有超前性，亟須各個(gè)層級(jí)尤其是青年科技者的廣泛參與，應(yīng)盡快建立起規(guī)范化、普適性的定義和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)?！蓖醣蛭闹赋觥４送?，數(shù)字孿生是數(shù)字化發(fā)展的高級(jí)階段，應(yīng)結(jié)合企業(yè)數(shù)字化發(fā)展基礎(chǔ)，與數(shù)字化、信息化發(fā)展歷程融合推進(jìn)。

　　“因此，實(shí)現(xiàn)其廣泛應(yīng)用和系統(tǒng)完善是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，不可能一蹴而就。”王彬文表示，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃2025年才能在交付飛行器的同時(shí)交付其對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生體，美國(guó)《航空周報(bào)》預(yù)測(cè)到2035年，當(dāng)航空公司接收一架飛機(jī)的時(shí)候，才能伴隨著一架高度詳細(xì)的數(shù)字模型。由此可見(jiàn)，數(shù)字孿生的發(fā)展道路漫長(zhǎng)且須上下求索。

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　　在虛擬空間中再造一座城

　　數(shù)字孿生城市是數(shù)字孿生技術(shù)在城市層面的廣泛應(yīng)用，通過(guò)構(gòu)建城市物理世界、網(wǎng)絡(luò)虛擬空間的一一對(duì)應(yīng)、相互映射、協(xié)同交互的復(fù)雜巨系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)空間再造一個(gè)與之匹配、對(duì)應(yīng)的孿生城市，實(shí)現(xiàn)城市全要素?cái)?shù)字化和虛擬化、城市全狀態(tài)實(shí)時(shí)化和可視化、城市管理決策協(xié)同化和智能化，形成物理維度上的實(shí)體世界和信息維度上的虛擬世界同生共存、虛實(shí)交融的城市發(fā)展格局。

　　虛擬空間上構(gòu)建的城市映像疊加在城市物理空間上，將極大地改變城市面貌，重塑城市基礎(chǔ)設(shè)施，形成孿生互動(dòng)的城市發(fā)展新形態(tài);借助更泛在、普惠的感知，更快速的網(wǎng)絡(luò)，更智能的計(jì)算，一種更加智慧化的新型城市將得以創(chuàng)建。不久后的將來(lái)，以數(shù)字孿生城市為代表的新型智慧城市建設(shè)，將讓城市生活變得更美好。