数字孪生体技术--学习笔记

一.数字孪生体技术概述

数字孪生体技术是跨层级，跨尺度的现实世界和虚拟世界的建立沟通的桥梁，是第四次工业革命的通用目的技术和核心技术体系之一，是支撑万物互联的综合技术系统，是数字经济发展的基础，是未来智能时代的信息基础设施，未来十年将成为数字孪生体时代。

二.数字孪生体的定义

数字孪生体是现有将的物理实体对象的数字模型，通过实例，仿真和数据分析来实时感知，诊断，预物理实体对象的状态，通过优化和指令来调控物理实体对象的行为，通过相关数字模型间的相互学习来进化自身，同时改进利益相关方在物理实体对象生命周期内的决策，将“digital twin”翻译为中文时在不同使用场景下的不确定性。“体”字的中文语义的模糊性表现在它有两种含义：

1. 事物的本身或全部，如物体，实体；
2. 事物的格局或规矩，如体制，体系，中文中，体系一词也是多义词，系统system，如技术体系，体系工程。

为数字孪生加上体字后，数字孪生体就是一个名词。因此数字孪生体这个术语有如下集中使用场合的含义：

1. digital twin这一现象背后所包含的技术体系，所代表的跨学科工程领域，以及作为通用目的技术引发的商业，经济和社会影响体系，如数字孪生体时代。
2. 物理实体对象的某种数字化孪生模型的抽象类型或实例，如数字孪生提可分为数字孪生原型提，数字孪生实体和数字孪生聚合体。
3. 具有应用场景下物理实体对象的数字化孪生模型，如某个或某类产品、工厂，城市产业，战场等的数字孪生体，此时，如果是强调物理实体对象或者物理实体与数字孪生提并重，也可以将数字孪生体作为形容词定语，放在物理实体对象之前，而不用体字，例如数字孪生制造，数字孪生城市等。
4. 在某些物理实体与数字孪生体并重的场合，如架构设计或实现等，可将数字孪生体与对应物理实体对象及相关使能实体对象所构成的系统称为数字孪生系统。

三.数字孪生体的关键技术

建模、仿真和基于数据融合的数字线程是数字孪生体的三项核心。能够做到统领建模、仿真和数字线程的系统工程和MBSE，则成为数字孪生体的顶层框架技术，物联网是数字孪生体的底层伴生成技术，而云计算、机器学习、大数据、区块链则成为数字孪生体的外围使能技术。

1.建模

数字化建模的目的是将我们对物理世界的理解进行简化和模型化。而数字孪生体的目的或本质是通过数字化和模型化，用信息换能力，使少的能量清除各种物理实体，特别是复杂系统的不确定性，所以建立物理实体的数字化模型或信息建模技术是创建数字孪生体，实现数字孪生体的源头和核心技术，也是“数化”阶段的核心。

2.仿真

从技术角度看，建模和仿真是一堆伴生体，如果说建模是模型化我们对物理世界或问题的理解，那么仿真就是验证和确认这种理解的正确性和有效性。所以，数字化模型的仿真技术创建和运行数字孪生体，保证数字孪生体与对应物理实体实现有效闭环的核心技术。

仿真是将包含了确定性规律和完整机理的模型转化成软件的方式来模拟物理世界的一种技术。只要模型正确，并拥有了完整的输入信息和环境数据，就可以基本准确地反映物理世界的特性和参数。

3.其他技术

除了核心的建模和仿真技术，目前VR，AR以及MR的步伐增强现实技术、数字线程，系统工程和MBSE、物联网，云计算，雾计算，边缘计算，大数据技术，机器学习和区块链技术，仍为数字孪生体的构建过程中的内外围核心技术。

四.数字孪生体的应用

数字孪生体主要用于制造，产业，城市。

1.制造

在制造领域，一些传统的技术，如CAD和CAE，天然就是为物理产品数字化而生，一些新兴技术，如AI，AR，Iot也更为逼真、更智能，更交互地为数字孪生体插上了翅膀。可以预见，数字孪生体在研发设计和生产制造环节将会起到越来越多的作用，成为智能制造的基石。

在产品的设计阶段，使用数字孪生体可以提高设计的准确性，并验证产品在真实环境中的性能，主要功能包括数字模型设计。模拟和仿真。对产品的结构，外形、功能和性能进行仿真，用于优化设计，改进性能的同时，也降低成本。

在产品的制造阶段，使用数字孪生体可使导入时间短，提高设计质量，降低生成成本和加快上市速度。

2.产业

数字孪生体以云计算、大数据、物联网、人工智能、和区块链等IT和DT使能技术为支撑，与行业趋势和产业升级需求相结合，构建实体的数字镜像，通过多组组合集成形式，按照数化，互动，先知，先觉，共智的顺序逐渐深入应用，最终实现“服务型制造”和“数字经济”等产业发展目标。

数字孪生体与各种或DT使能技术结合，在复杂产品的产业链中具有广泛的应用价值，构建全产业链的数字孪生体，同时与制造技术相结合，促进传统产业向智慧化和服务型制造转型，迎接批量定制化个性化时代的到来，猪油有在市场营销和点子商务，供应链和物流领域，侧重于如何向批量订单的挑战，在产品使用和继保领域，则侧重于如何迎接复杂产品高可靠性的挑战。

3.城市

要建成新型智慧城市，首先要构建城市的数字孪生体，城市级的整体数字化是城市智慧化的前提条件，数字孪生城市的发展与应用内涵，直接体现了新型智慧城市想要达到的愿景和目标。数字孪生体在城市建设与发展中的核心价值在于，能够在现实世界和数字世界之间全面建立实时联系，进而对城市物理实体全生命周期的变化进行数字化，模型化和可视化。