近年來，數(shù)字孿生（Digital Twin）在全球的搜索熱度急劇上升，受到了全球?qū)W術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界越來越多的關(guān)注。2020年11月11日，由工信部中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院牽頭編寫的2020年《數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書》在中國國際高新技術(shù)成果交易會發(fā)布，該事件反映出數(shù)字孿生對我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的影響日益深刻。
一、數(shù)字孿生是什么
數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬實(shí)體（也稱“數(shù)字孿生體”），借助歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及算法模型等，模擬、驗(yàn)證、預(yù)測、控制物理實(shí)體全生命周期過程的技術(shù)手段。
圖1 數(shù)字孿生的概念
二、數(shù)字孿生的典型特征
數(shù)字孿生具有保真性、可計(jì)算性、閉環(huán)性等典型特征。
1.保真性
指虛擬實(shí)體與物理實(shí)體不僅要在外觀和幾何結(jié)構(gòu)上高度仿真，而且還要在狀態(tài)等其他方面保持完全一致。
2.可計(jì)算性
基于虛擬實(shí)體，可通過仿真、計(jì)算和分析來實(shí)時(shí)模擬并反映對應(yīng)物理實(shí)體的狀態(tài)和行為。
3.閉環(huán)性
數(shù)字孿生技術(shù)從物理實(shí)體采集數(shù)據(jù)到建立虛擬實(shí)體并結(jié)合數(shù)據(jù)、算法模型，對物理實(shí)體進(jìn)行描述、診斷、預(yù)測和決策，最后通過虛擬實(shí)體下發(fā)指令反向控制物理實(shí)體，構(gòu)成了一個(gè)反饋優(yōu)化的閉環(huán)。
三、數(shù)字孿生的商業(yè)價(jià)值
數(shù)字孿生以全面數(shù)字化的形式對某一物理實(shí)體過去和目前的行為或流程進(jìn)行動態(tài)呈現(xiàn)，具有很高的潛在商業(yè)價(jià)值。
表1 數(shù)字孿生的潛在商業(yè)價(jià)值
四、數(shù)字孿生應(yīng)用探索
數(shù)字孿生以數(shù)字化手段將物理實(shí)體構(gòu)建成虛擬模型，成為連接物理世界和信息世界的紐帶。目前，業(yè)界部分公司已開展數(shù)字孿生技術(shù)在各領(lǐng)域的探索與實(shí)踐。
1.數(shù)字化設(shè)計(jì)
美國通用電氣公司GE為每個(gè)引擎、每個(gè)渦輪、每臺核磁共振創(chuàng)造一個(gè)虛擬實(shí)體，通過這些擬真的數(shù)字化模型在數(shù)字空間進(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，只需將最優(yōu)方案應(yīng)用于實(shí)體模型上即可。通過數(shù)字孿生，企業(yè)可以合理規(guī)劃產(chǎn)品，避免進(jìn)行重復(fù)的物理實(shí)體驗(yàn)證、試驗(yàn)，浪費(fèi)大量時(shí)間及成本。
2.虛擬工廠
西門子、東方國信等公司綜合運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，在數(shù)字空間打造映射物理空間的虛擬車間、數(shù)字工廠，推動物理實(shí)體與數(shù)字虛體之間數(shù)據(jù)雙向動態(tài)交互，根據(jù)數(shù)字空間的變化及時(shí)調(diào)整生產(chǎn)工藝、優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù)，提高生產(chǎn)效率。
圖2 虛擬工廠
3.設(shè)備預(yù)測性維護(hù)
美國國防部最早提出將數(shù)字孿生技術(shù)用于航空航天飛行器的健康維護(hù)與保障。在數(shù)字空間建立真實(shí)飛機(jī)的虛擬實(shí)體，通過傳感器實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)真實(shí)狀態(tài)完全同步，這樣每次飛行后，可根據(jù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有情況和過往負(fù)荷，及時(shí)分析評估是否需要維修、能否承受下次的任務(wù)負(fù)荷等。
圖3 數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于航空航天飛行器
4.智慧孿生城市
基于數(shù)字孿生與全域數(shù)字化融合技術(shù)，將物理城市精準(zhǔn)映射到數(shù)字環(huán)境，形成數(shù)字孿生城市；再通過城市科學(xué)模擬與仿真系統(tǒng)對城市進(jìn)行科學(xué)預(yù)測，為城市管理者與企業(yè)提供有效的決策輔助，助力城市的發(fā)展規(guī)劃和運(yùn)營管理、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型與善政惠民。
圖4 智慧孿生城市
五、數(shù)字孿生在金融行業(yè)的應(yīng)用思路
金融行業(yè)以對外提供虛擬金融服務(wù)為主，業(yè)務(wù)產(chǎn)品運(yùn)行在實(shí)體的IT系統(tǒng)上，未來，可以將研發(fā)-測試-生產(chǎn)的過程、物理生產(chǎn)系統(tǒng)等物理實(shí)體，在數(shù)字化空間中構(gòu)建一套與之對等的虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)，通過模擬仿真實(shí)現(xiàn)對物理生產(chǎn)系統(tǒng)全生命周期運(yùn)營管理的優(yōu)化，以達(dá)到降本增效的目的。
1.研發(fā)、測試流程
在數(shù)字空間構(gòu)建生產(chǎn)環(huán)境的數(shù)字化模型，供研發(fā)、測試流程統(tǒng)一使用，減少對實(shí)際測試設(shè)備、環(huán)境的依賴。
2.生產(chǎn)運(yùn)維
在虛擬環(huán)境模擬生產(chǎn)運(yùn)行情況，促進(jìn)生產(chǎn)環(huán)境的健康、高效運(yùn)行。
3.金融產(chǎn)品
在數(shù)字空間構(gòu)建金融產(chǎn)品數(shù)字化虛擬實(shí)體，客戶可以在虛擬環(huán)境開展業(yè)務(wù)操作，再將結(jié)果反饋至生產(chǎn)系統(tǒng)，提高對客服務(wù)的友好度。
4.物理實(shí)體（科技設(shè)備、機(jī)房、金庫等）
通過在數(shù)字空間中模擬實(shí)體設(shè)備的運(yùn)行情況，再結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，可對設(shè)備的運(yùn)維情況進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測。
雖然已有企業(yè)初步探索數(shù)字孿生技術(shù)方案及相關(guān)應(yīng)用，但在實(shí)際應(yīng)用過程中數(shù)字孿生仍存在諸多關(guān)鍵技術(shù)有待突破，如狀態(tài)感知技術(shù)、高保真度的建模技術(shù)等。但是業(yè)界普遍認(rèn)為數(shù)字孿生未來可期，數(shù)字孿生融合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對過去發(fā)生問題的診斷、當(dāng)前狀態(tài)的評估以及未來趨勢的預(yù)測，并分析結(jié)果，模擬各種可能性，進(jìn)而提供設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)維等方面的決策支持。
