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数字孪生的概念及应用

导语：数字化转型是我国经济社会未来发展的必由之路，世界经济数字化转型是大势所趋。

数字孪生等新技术与国民经济各产业融合不断深化，有力推动着各产业数字化、网络化、智

能化发展进程，成为我国经济社会发展变革的强大动力。未来，所有的企业都将成为数字化

的公司，这不只是要求企业开发出具备数字化特征的产品，更指的是通过数字化手段改变整

个产品的设计、开发、制造和服务过程，并通过数字化的手段连接企业的内部和外部环境。

一、数字孪生概述

1.1 数字孪生的定义

数字孪生是具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达，该数据连接可以保证物理状

态和虚拟状态之间的同速率收敛，并提供物理实体或流程过程的整个生命周期的集成视图，

有助于优化整体性能。

学术界的定义：数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据、实时数

据以及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段。

企业的定义：数字孪生是资产和流程的软件表示，用于理解、预测和优化绩效以实现改善的

业务成果。数字孪生由三部分组成：数据模型，一组分析或算法，以及知识。

1.2 数字孪生的典型特征

从数字孪生的定义可以看出，数字孪生具有以下几个典型特点：

（1）互操作性

数字孪生中的物理对象和数字空间能够双向映射、动态交互和实时连接，因此数字孪生具备

以多样的数字模型映射物理实体的能力，具有能够在不同数字模型之间转换、合并和建立

“表达”的等同性。

（2）可扩展性

数字孪生技术具备集成、添加和替换数字模型的能力，能够针对多尺度、多物理、多层级的

模型内容进行扩展。

（3）实时性

数字孪生技术要求数字化，即以一种计算机可识别和处理的方式管理数据以对随时间轴变化

的物理实体进行表征。表征的对象包括外观、状态、属性、内在机理，形成物理实体实时状

态的数字虚体映射。

（4）保真性

数字孪生的保真性指描述数字虚体模型和物理实体的接近性。要求虚体和实体不仅要保持几

何结构的高度仿真，在状态、相态和时态上也要仿真。值得一提的是在不同的数字孪生场景

下，同一数字虚体的仿真程度可能不同。例如工况场景中可能只要求描述虚体的物理性质，

并不需要关注化学结构细节。

（5）闭环性

数字孪生中的数字虚体，用于描述物理实体的可视模型和内在机理，以便于对物理实体的

状态数据进行监视、分析推理、优化工艺参数和运行参数，实现决策功能，即赋予数字虚体

和物理实体一个大脑。因此数字孪生具有闭环性。

1.3 相关概念

1. 数字孪生生态系统

数字孪生生态系统由基础支撑层、数据互动层、模型构建与仿真分析层、共性应用层和行业

应用层组成。其中基础支撑层由具体的设备组成，包括工业设备、城市建筑设备、交通工

具、医疗设备组成。数据互动层包括数据采集、数据传输和数据处理等内容。模型构建与仿

真分析层包括数据建模、数据仿真和控制。共性应用层包括描述、诊断、预测、决策四个方

面。行业应用层则包括智能制造、智慧城市在内的多方面应用。

2. 数字孪生生命周期过程

数字孪生中虚拟实体的生命周期包括起始、设计和开发、验证与确认、部署、操作与监控、

重新评估和退役，物理实体的生命周期包括验证与确认、部署、操作与监控、重新评估和回

收利用。值得指出的是，一是虚拟实体在全生命周期过程中与物理实体的相互作用是持续

的，在虚拟实体与物理实体共存的阶段，两者应保持相互关联并相互作用。二是虚拟实体区

别于物理实体的生命周期过程中，存在迭代的过程。虚拟实体在验证与确认、部署、操作与

监控、重新评估等环节发生的变化，可以迭代反馈至设计和开发环节。

3. 数字孪生功能视角

从数字孪生功能视角，可以看到数字孪生应用需要在基础设施的支撑下实现。物理世界中产

品、服务或过程数据也会同步至虚拟世界中，虚拟世界中的模型和数据会和过程应用进行交

互。向过程应用输入激励和物理世界信息，可以得到包括优化、预测、仿真、监控、分析等

功能的输出。

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