數字孿生

Digital Twin數字孿生：是充分利用物理模型、感測器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多機率的仿真過程，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。

Digital Twin是一種超越現實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統的數字映射系統。

基本介紹

• 中文名：數字孿生
• 外文名：Digital Twin
• 其他譯法：數字鏡像、數位化映射

美國國防部最早提出利用Digital Twin技術，用於航空航天飛行器的健康維護與保障。首先在數字空間建立真實飛機的模型，並通過感測器實現與飛機真實狀態完全同步，這樣每次飛行後，根據結構現有情況和過往載荷，及時分析評估是否需要維修，能否承受下次的任務載荷等。

圖1 數據流動與信息鏡像

數字孿生，有時候也用來指代將一個工廠的廠房及產線，在沒有建造之前，就完成數位化模型。從而在虛擬的賽博空間中對工廠進行仿真和模擬，並將真實參數傳給實際的工廠建設。而工房和產線建成之後，在日常的運維中二者繼續進行信息互動。值得注意的是：Digital Twin不是構型管理的工具，不是製成品的3D尺寸模型，不是製成品的MBD定義。

對於Digital Twin的極端需求，同時也將驅動著新材料開發，而所有可能影響到裝備工作狀態的異常，將被明確地進行考察、評估和監控。Digital Twin正是從內嵌的綜合健康管理系統（IVHM）集成了感測器數據、歷史維護數據，以及通過挖掘而產生的相關派生數據。通過對以上數據的整合，Digital Twin可以持續地預測裝備或系統的健康狀況、剩餘使用壽命以及任務執行成功的機率，也可以預見關鍵安全事件的系統回響，通過與實體的系統回響進行對比，揭示裝備研製中存在的未知問題。Digital Twin可能通過激活自愈的機制或者建議更改任務參數來減輕損害或進行系統的降級，從而提高壽命和任務執行成功的機率。

數字孿生與Digital Thread的關係

Digital Twin是與Digital Thread，既相互關聯，又有所區別的一個概念。
Digital Twin是一個物理產品的數位化表達，以便於我們能夠在這個數位化產品上看到實際物理產品可能發生的情況，與此相關的技術包括增強現實和虛擬現實。Digital Thread在設計與生產的過程中，仿真分析模型的參數，可以傳遞到產品定義的全三維幾何模型，再傳遞到數位化生產線加工成真實的物理產品，再通過線上的數位化檢測/測量系統反映到產品定義模型中，進而又反饋到仿真分析模型中。 依靠Digital Thread，所有數據模型都能夠雙向溝通，因此真實物理產品的狀態和參數將通過與智慧型生產系統集成的賽博物理系統CPS向數位化模型反饋，致使生命周期各個環節的數位化模型保持一致，從而能夠實現動態、實時評估系統的當前及未來的功能和性能。而裝備在運行的過程中，又通過將不斷增加的感測器、機器的聯接而收集的數據進行解釋利用，可以將後期產品生產製造和運營維護的需求融入到早期的產品設計過程中，形成設計改進的智慧型閉環。然而，並不是建立了全機有限元模型，就有了數字孿生，那只是問題的一個角度；必須在生產中把所有真實製造尺寸反饋回模型，再用PHM（健康預測管理）實時蒐集飛機實際受力情況，反饋回模型，才有可能成為Digital Twin。
Digital Twin描述的是通過Digital Thread連線的各具體環節的模型。可以說Digital Thread是把各環節集成，再配合智慧型的製造系統、數位化測量檢驗系統的以及賽博物理融合系統的結果。通過Digital Thread集成了生命周期全過程的模型，這些模型與實際的智慧型製造系統和數位化測量檢測系統進一步與嵌入式的賽博物理融合系統(CPS)進行無縫的集成和同步，從而使我們能夠在這個數位化產品上看到實際物理產品可能發生的情況。

圖2 數據經由Digital Thread流動

圖3 數字孿生與數字生產線

簡單說，Digital Thread貫穿了整個產品生命周期，尤其是從產品設計、生產、運維的無縫集成；而Digital Twin更像是智慧型產品的概念，它強調的是從產品運維到產品設計的回饋。

Digital Twin它是物理產品的數位化影子，通過與外界感測器的集成，反映對象從微觀到巨觀的所有特性，展示產品的生命周期的演進過程。當然，不止產品，生產產品的系統（生產設備、生產線）和使用維護中的系統也要按需建立Digital Twin。

Digital Twin的套用和進展

實現Digital Twin的許多關鍵技術都已經開發出來，比如多物理尺度和多物理量建模、結構化的健康管理、高性能計算等，但實現Digital Twin需要集成和融合這些跨領域、跨專業的多項技術，從而對裝備的健康狀況進行有效評估，這與單個技術發展的願景有著顯著的區別。因此，可以構想Digital Twin這樣一個極具顛覆的概念，在未來可以預見的時間內很難取得足夠的成熟度，建立中間過程的里程碑目標就顯得尤為必要。

美國空軍研究實驗室（AFRL）2013年發布的Spiral 1計畫就是其中重要的一步，已與通用電氣（GE）和諾思羅譜·格魯曼簽訂了2000萬美元的商業契約以開展此項工作。計畫以現有美國空軍裝備F15為測試台，集成現有最先進的技術，與當前具有的實際能力為測試基準，從而標識出虛擬實體還存在的差距。當然，對於Digital Twin這么一個好聽好記的概念，許多公司已經迫不及待地將其從高尖端的領域，拉到民眾的眼前。

GE將其作為工業網際網路的一個重要概念，力圖通過大數據的分析，可以完整地透視物理世界機器實際運行的情況；而

圖4 數字世界和實體世界的融合

激進的PLM廠商PTC公司，則將其作為主推的“智慧型互聯產品”的關鍵性環節：智慧型產品的每一個動作，都會重新返回設計師的桌面，從而實現實時的反饋與革命性的最佳化策略。Digital Twin突然賦予了設計師們以全新的夢想。它正在引導人們穿越那虛實界牆，在物理與數字模型之間自由互動與行走。

Digital Twin是智慧型製造系統的基礎

Digital twin最為重要的啟發意義在於，它實現了現實物理系統向賽博空間數位化模型的反饋。這是一次工業領域中，逆向思維的壯舉。人們試圖將物理世界發生的一切，塞回到數字空間中。只有帶有迴路反饋的全生命跟蹤，才是真正的全生命周期概念。這樣，就可以真正在全生命周期範圍內，保證數字與物理世界的協調一致。各種基於數位化模型進行的各類仿真、分析、數據積累、挖掘，甚至人工智慧的套用，都能確保它與現實物理系統的適用性。這就是Digital twin對智慧型製造的意義所在。

智慧型系統的智慧型首先要感知、建模，然後才是分析推理。如果沒有Digital twin對現實生產體系的準確模型化描述，所謂的智慧型製造系統就是無源之水，無法落實。