數(shù)字孿生：數(shù)字孿生所用到的關(guān)鍵技術(shù)

2023.06.27 北京

關(guān)注

隨著元宇畝的火爆，數(shù)字孿生概念也隨之被熱捧。但不應(yīng)將二者混為一談，數(shù)字孿生是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)空間的模擬、仿真等還原真實(shí)世界并影響現(xiàn)實(shí)生活。

要知道，數(shù)字孿生是一個(gè)在元宇畝誕生之前就有了的概念，與元宇宙的概念有本質(zhì)上的區(qū)別，然而二者又有千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。

相同點(diǎn)

數(shù)字孿生與元宇宙都以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，再造高仿真的數(shù)字對(duì)象和事件，以進(jìn)行可視化，沉浸式的感知交互和運(yùn)行，其底層支撐技術(shù)可通用。

不同點(diǎn)

元宇畝可以顯示物理世界為數(shù)字框架，也可以完全塑造全新的理念數(shù)字世界(數(shù)字原生)，終極形態(tài)是虛實(shí)相生的數(shù)字社會(huì)。

其中每個(gè)元宇宙公民擁有數(shù)字身份和數(shù)字化身，可共同在線社交甚至建設(shè)文明，由此可知，元宇宙的根本焦點(diǎn)是在于“人”！

而數(shù)字孿生則是以信息世界嚴(yán)格、精確映射物理世界和事件過(guò)程為框架和基礎(chǔ)的，無(wú)論是工業(yè)制造，還是城市管理，都是基于實(shí)時(shí)客觀數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)進(jìn)程，與 AI結(jié)合的挖分析和深度學(xué)習(xí)，并進(jìn)一步模擬情境和決策，以改進(jìn)現(xiàn)實(shí)或更好地適應(yīng)現(xiàn)實(shí)，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制或自主決策控制。

由此可見(jiàn)，數(shù)字孿生的根本焦點(diǎn)在于“物”！

數(shù)字孿生對(duì)元宇宙發(fā)展的促進(jìn)作用可以看到，數(shù)字孿生的應(yīng)用更加傾向于對(duì)行業(yè)效率的改進(jìn)和技術(shù)創(chuàng)新，而元宇宙的應(yīng)用更傾向于構(gòu)建公共娛樂(lè)社交的理想數(shù)字社會(huì)。

但這并不妨礙兩者的結(jié)合。

基于各種 3D模型掃描重建技術(shù)，例如激光雷達(dá)掃描、衛(wèi)星遙感等產(chǎn)生的高精地圖、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、定位軌跡、社交內(nèi)容等時(shí)空動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)游戲級(jí)引擎的渲染和可視化與沉浸式體驗(yàn)技術(shù)，可以構(gòu)建元宇宙的高保真、高聚合的數(shù)字時(shí)空?qǐng)鼍啊?/p>

同時(shí)，在數(shù)字孿生應(yīng)用中得到錘煉的各種IT 技術(shù)，發(fā)展成為“元宇畝”的技術(shù)支撐。

可以說(shuō)元宇宙贏得如此多的關(guān)注和重視，一部分原因是站在了數(shù)字孿生這個(gè)巨人的肩膀上。

我們可以大膽地猜想，在不遠(yuǎn)的將來(lái)，數(shù)字孿生的應(yīng)用場(chǎng)景會(huì)被工業(yè)元宇宙所覆蓋，數(shù)字孿生的核心技術(shù)會(huì)被工業(yè)元宇宙所繼承并得以發(fā)揚(yáng)光大，最終數(shù)字孿生會(huì)被工業(yè)元宇宙概念吞噬，成為元宇宙的一個(gè)子集.

數(shù)字孿生是一個(gè)復(fù)雜且完整的技術(shù)體系，依賴于諸多新技術(shù)的發(fā)展和高度融合。本文將簡(jiǎn)要介紹與其相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，歡迎閱讀。

數(shù)字孿生概念的歷史雖然不長(zhǎng)，但是數(shù)字孿生技術(shù)內(nèi)涵的探索與實(shí)踐早在多年前就已開(kāi)始。比如：虛擬樣機(jī)、信息物理系統(tǒng)、數(shù)字線程 (Digital Thread) 等。

這些概念或是對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的一種先行實(shí)踐，一種技術(shù)上的孕育和孵化，或是與數(shù)字孿生技術(shù)齊頭并進(jìn)、相輔相成。

虛擬樣機(jī)

虛擬樣機(jī)技術(shù)是將CAD建模技術(shù)、計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作技術(shù)、用戶界面設(shè)計(jì)、基于知識(shí)的推理技術(shù)、設(shè)計(jì)過(guò)程管理和文檔化技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)集成起來(lái)，形成一個(gè)基于桌面化的分布式環(huán)境。

虛擬樣機(jī)是一種計(jì)算機(jī)模型，它能夠反映實(shí)際產(chǎn)品的特性，包括外觀、空間關(guān)系以及運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性。

借助于這項(xiàng)技術(shù)，設(shè)計(jì)師可以在計(jì)算機(jī)上建立機(jī)械系統(tǒng)模型，伴之以三維可視化處理，模擬在真實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力特性并根據(jù)仿真結(jié)果精簡(jiǎn)和優(yōu)化系統(tǒng)。

虛擬樣機(jī)可以視為數(shù)字孿生的基礎(chǔ)和雛形，它們的

相同點(diǎn)

①　都構(gòu)建了三維虛擬模型來(lái)替換或者映射對(duì)應(yīng)的物理實(shí)體，從而在虛擬的數(shù)字世界中進(jìn)行物理空間中需要進(jìn)行的活動(dòng)，例如測(cè)試、仿真、評(píng)估、驗(yàn)證等，從而減少時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本:

②　不同設(shè)計(jì)者甚至最終用戶可以通過(guò)與虛擬的數(shù)字模型交互參與到設(shè)計(jì)中來(lái)，提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率和用戶滿意度。

不同點(diǎn)

①　虛擬樣機(jī)只夏蓋了產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，而數(shù)字孿生覆蓋了產(chǎn)品的整個(gè)生命周期

②　虛擬樣機(jī)與實(shí)體之間沒(méi)有聯(lián)系，而數(shù)字孿生與實(shí)體直接保持著密切聯(lián)系，實(shí)時(shí)反映著實(shí)體在全生命周期中的狀態(tài)變化。

信息物理系統(tǒng) (CPS)

2006 年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的 Helen Gill 最先用信息物理系統(tǒng)CPS來(lái)描述傳統(tǒng)的IT無(wú)法有效說(shuō)明的日益復(fù)雜的系統(tǒng)。

信息物理系統(tǒng)通過(guò)人機(jī)交互接口實(shí)現(xiàn)和物理進(jìn)程的交互，使用網(wǎng)絡(luò)化空間以遠(yuǎn)程的、可靠的、實(shí)時(shí)的操控一個(gè)物理實(shí)體。信息物理系統(tǒng)包含了將來(lái)無(wú)處不在的環(huán)境感知、嵌入式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)工程，使物理系統(tǒng)具有計(jì)算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自治功能。

該系統(tǒng)和很多小設(shè)備相關(guān)聯(lián)，擁有無(wú)線通信、感知存儲(chǔ)和計(jì)算功能。它注重計(jì)算資源與物理資源的緊密結(jié)合與協(xié)調(diào)，主要用于一些智能系統(tǒng)上，如設(shè)備互聯(lián)、物聯(lián)傳感、智能家居、機(jī)器人、智能導(dǎo)航等。

信息物理系統(tǒng)將計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理進(jìn)程結(jié)合在一起，物理進(jìn)程受到網(wǎng)絡(luò)的控制和監(jiān)督，計(jì)算機(jī)收到它所控制物理進(jìn)程的反饋信息。換句話說(shuō)，物理進(jìn)程被計(jì)算系統(tǒng)所監(jiān)視著。

數(shù)字線程

數(shù)字線程的概念可以追溯到 2003 年，它在美國(guó)空軍和洛克希德馬丁公司合作的 F-35 戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目里首次被提及。當(dāng)時(shí)其實(shí)是指 F-35 的 3D 數(shù)字化的設(shè)計(jì)，它取代了傳統(tǒng)的飛機(jī)制造中使用的紙上藍(lán)圖，使得整個(gè)飛機(jī)的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程更加有效率和準(zhǔn)確。

通用電氣的石油和天然氣業(yè)務(wù)集團(tuán)對(duì)數(shù)字線程的具體定義為：數(shù)字線程貫穿了整個(gè)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程，從產(chǎn)品概念、最初的設(shè)計(jì)和 3D 原型，到測(cè)試和設(shè)計(jì)驗(yàn)證，再到完整合理的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，最后到在我們?cè)谥悄芄S里生產(chǎn)的產(chǎn)品。

它還承載供應(yīng)鏈，使產(chǎn)品能交付、安裝、運(yùn)行上線。數(shù)字線程還負(fù)責(zé)產(chǎn)品的監(jiān)測(cè)和管控，還有產(chǎn)品全生命周期的健康把控以及運(yùn)行性能數(shù)據(jù)的傳送。

數(shù)字孿生的技術(shù)架構(gòu)

數(shù)字孿生的技術(shù)架構(gòu)，包含五層：感知、數(shù)據(jù)、建模、可視化和應(yīng)用。

另外，還需要平臺(tái)軟件，機(jī)理分析的支撐。建立數(shù)字孿生，數(shù)據(jù)是基礎(chǔ)，模型是核心，軟件或平臺(tái)是載體。

感知

為了實(shí)時(shí)感知物理實(shí)體及其運(yùn)行環(huán)境，需要傳感技術(shù)、監(jiān)測(cè)技術(shù)的支撐。

例如，為了建立面向風(fēng)電、光伏出力預(yù)測(cè)和故障診斷的數(shù)字孿生，需要獲得電站周邊氣象數(shù)據(jù)以及設(shè)備溫度、聲音、振動(dòng)等數(shù)據(jù)。為此，需要可獲取聲振信號(hào)、溫度、濕度數(shù)據(jù)的傳感設(shè)備。

數(shù)據(jù)

通過(guò)監(jiān)測(cè)和傳感獲得的數(shù)據(jù)，需要利用先進(jìn)的通信技術(shù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)平臺(tái)或數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)、處理和建模。

如果數(shù)據(jù)量大，實(shí)時(shí)性要求高，也可以采取邊緣計(jì)算模式存儲(chǔ)處理數(shù)據(jù)。

①　為節(jié)省信道和存儲(chǔ)空間，需要應(yīng)用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)；

②　為實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合、時(shí)空數(shù)據(jù)融合，需要應(yīng)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)；

③　為提高數(shù)據(jù)處理和建模速度、滿足數(shù)據(jù)孿生的實(shí)時(shí)性要求，需要采用分布式存儲(chǔ)和處理技術(shù)、流計(jì)算、內(nèi)存計(jì)算等技術(shù)。

建模

建模方法包括機(jī)理建模方法和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模方法。

前者根據(jù)研究對(duì)象的機(jī)理特性建立數(shù)學(xué)公式，并賦予參數(shù)，然后應(yīng)用數(shù)值計(jì)算方法或解析方法進(jìn)行計(jì)算，一般適合于機(jī)理清楚的物理系統(tǒng)；

后者是指采用統(tǒng)計(jì)學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)方法建立模型，適合于機(jī)理不明確或只存在關(guān)聯(lián)關(guān)系的研究對(duì)象。機(jī)理建模時(shí)由于存在不可避免的假設(shè)和簡(jiǎn)化，有時(shí)會(huì)帶來(lái)不容忽視的誤差，這種情況下，如果數(shù)據(jù)足夠，也適合采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模方法。

數(shù)字孿生的模型需要隨物理實(shí)體同步更新、演化。

可視化

數(shù)字孿生需要很直觀的可視化效果，三維展示、地理信息系統(tǒng)（GIS）、AR/VR等都是很重要的可視化技術(shù)。

例如，風(fēng)機(jī)的數(shù)字孿生，在地理位置上標(biāo)注了風(fēng)機(jī)的身份信息，點(diǎn)擊各個(gè)部位，均能更直觀地看到各個(gè)部位的狀況。

應(yīng)用

數(shù)字孿生應(yīng)用的領(lǐng)域很多，智慧城市、精準(zhǔn)醫(yī)療、智能制造、智慧能源是最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。