人類平均每250個新生兒中就會出現(xiàn)一對同卵雙胞胎，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為“心靈感應”。

　　人們也將這種生理學的孿生理念融入到工業(yè)的發(fā)展中。通過實驗室中的物理孿生體，基于實體生命周期中的基本信息，進行“模擬”獲得早期預警和預測。人們將之稱為“物理孿生”。例如，1969年，美國NASA在阿波羅登月項目中制造了兩個完全相同的實驗室/實體空間飛行器。

　　如果對實體建立一個數(shù)字模型，通過仿真模擬解決實際問題，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體獨有個性實時融合的全生命周期共同體?！敝袊w機強度研究所所長王彬文在近日舉辦的第八屆中國航空學會青年科技論壇上對數(shù)字孿生的內(nèi)涵進行了闡述。

　　將虛擬與現(xiàn)實進行無縫對接

　　“2003年，密歇根大學邁克爾·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、制造、試驗和服務在內(nèi)的完整的產(chǎn)品全生命周期?！蓖醣蛭母嬖V科技日報記者，近年來，各行業(yè)也進行了大量的實踐探索，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、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。

　　以數(shù)字孿生在飛機監(jiān)測中的應用舉例，如果想要對一架飛機進行監(jiān)測，則需利用飛機的各項真實數(shù)據(jù)建立一個仿真飛機模型，該模型可通過傳感器實現(xiàn)與飛機真實狀態(tài)完全同步。如此一來，每次執(zhí)行飛行任務時，便可根據(jù)現(xiàn)有情況和過往歷史數(shù)據(jù)，分析評估飛機的各項指標是否正常，是否能夠承受下次的任務載荷等，以便人工及時進行檢修等相關(guān)工作。

　　短短十數(shù)年，數(shù)字孿生引起了企業(yè)、研究機構(gòu)、科研人員等的廣泛關(guān)注。必應搜索“digital twin”詞條信息數(shù)量達57萬，百度搜索“數(shù)字孿生”信息達261萬條，其中近兩年的搜索量占比為62%。數(shù)字孿生之“熱”可見一斑。

　　“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、個體數(shù)量和時間環(huán)境的限制，可進一步豐富工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)體系，為智能制造奠定基礎(chǔ)。

　　美國通用公司為每個引擎、每個渦輪、每臺核磁共振，均創(chuàng)造一個數(shù)字孿生體，通過這些仿真的數(shù)字化模型，在虛擬空間進行調(diào)試、試驗，即可知道如何讓機器效率達到最高?？湛图瘓F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，另一方面通過數(shù)字孿生模型預測生產(chǎn)中可能遇到的瓶頸，提前解決問題，不斷提高總裝效率。

　　國內(nèi)也開展了數(shù)字孿生的初步探索與實踐，以強度試驗為例，圍繞驗證試驗的全流程，從模型構(gòu)建、虛擬試驗、增強現(xiàn)實、數(shù)據(jù)挖掘等方面進行了實踐。除此之外，國內(nèi)在海洋工程、智慧城市、智能制造等多個領(lǐng)域也在廣泛探索。

　　應用廣泛但仍需補足短板

　　數(shù)字孿生引入國內(nèi)僅僅幾年時間，距離廣泛應用還有很長的路要走?！澳壳皵?shù)字孿生技術(shù)還面臨諸多難題，可歸納為三類?！蓖醣蛭恼J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)字孿生作為物理實體在數(shù)字空間的超寫實動態(tài)模型，產(chǎn)品虛擬模型的高精度性、多物理場建模、高保真度響應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)所涉及的先進傳感器技術(shù)、自適應感知、精確控制與執(zhí)行技術(shù)等難題急需攻關(guān)。

　　“實時監(jiān)測與健康預測技術(shù)也尚待完善?！蓖醣蛭膹娬{(diào)，實時和預測是數(shù)字孿生的核心要素，一方面物理產(chǎn)品的數(shù)據(jù)動態(tài)實時反映在數(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)進行分析決策，進而控制物理產(chǎn)品，而其中離不開相應的高實時性數(shù)據(jù)交互、高置信度仿真預測、超級計算能力等技術(shù)能力。此外，新的設(shè)計檢驗方法仍需進一步探索，使物理模式的實驗結(jié)果更準確、更接近真實的工況，為數(shù)字孿生體的推演提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

　　“不同專業(yè)、不同方向、不同領(lǐng)域均能細化、演化出屬于自己行業(yè)的數(shù)字孿生核心技術(shù)。”王彬文指出，除此之外，作為一種嚴謹?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，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，實現(xiàn)對過去發(fā)生問題的診斷、當前狀態(tài)的評估以及未來趨勢的預測，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。

　　“應充分認識到，數(shù)字孿生技術(shù)所涉及的理念、方法具有超前性，亟須各個層級尤其是青年科技者的廣泛參與，應盡快建立起規(guī)范化、普適性的定義和相關(guān)標準?！蓖醣蛭闹赋觥４送?，數(shù)字孿生是數(shù)字化發(fā)展的高級階段，應結(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。

　　“因此，實現(xiàn)其廣泛應用和系統(tǒng)完善是一個長期過程，不可能一蹴而就。”王彬文表示，美國空軍研究實驗室計劃2025年才能在交付飛行器的同時交付其對應的數(shù)字孿生體，美國《航空周報》預測到2035年，當航空公司接收一架飛機的時候，才能伴隨著一架高度詳細的數(shù)字模型。由此可見，數(shù)字孿生的發(fā)展道路漫長且須上下求索。

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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用，通過構(gòu)建城市物理世界、網(wǎng)絡(luò)虛擬空間的一一對應、相互映射、協(xié)同交互的復雜巨系統(tǒng)，在網(wǎng)絡(luò)空間再造一個與之匹配、對應的孿生城市，實現(xiàn)城市全要素數(shù)字化和虛擬化、城市全狀態(tài)實時化和可視化、城市管理決策協(xié)同化和智能化，形成物理維度上的實體世界和信息維度上的虛擬世界同生共存、虛實交融的城市發(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，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。