什么是数字孪生？解读数字孪生关键技术

什么是数字挛生？解读数字挛生关键技术

何为数字挛生？这一文带你全面了解数字挛生！数字挛生是跨越其生命周

期的对象或系统的虚拟表示，从实时数据更新，到使用仿真、机器学习和推理

来帮助决策。

目录

1.数字挛生技术的历史...........................................................1

2.数字李生的工作原理...........................................................1

3.数字挛生的类型...............................................................2

4.数字率生的优点...............................................................2

5.数字孳生的应用...............................................................3

6.什么是数字挛生...............................................................4

6.1.数字挛生的起源（超越现实的概念）..........................................5

6.2.数字挛生定义.............................5

????数字学生系统的概念以及应用..................................................7

????数字挛生关键技术.............................................................7

1.数字学生技术的历史

1991年，耶鲁大学计算机科学教授DavidGelernter首次提出了数字孳生的

概念。然而，密歇根大学MichaelGrieves博士被认为是2002年首次将数字挛生

概念应用于制造业，并正式宣布了数字挛生的软件概念。最终，美国国家航空

航天局的技术专家JohnVickers在2010年引入了数字挛生这个术语。

然而，使用数字季生作为研究物理对象的手段的核心思想早已有之。事实

上，可以说美国国家航空航天局在上世纪60年代的太空探索任务中率先使用了

数字季生技术，每个航天器在当时都被精确复制成相同的模型，供美国国家航

空航天局工作人员用于研究和模拟。

2.数字学生的工作原理

数字李生是一种虚拟模型，旨在准确反映物理对象。研究对象（例如风力涡

轮机）配备了与重要功能领域相关的各种传感溶。这些传感器产生有关物理对象

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性能不同方面的数据（例如能量输出、温度、天气条件等），然后将该数据转发到

处理系统并应用于数字副本。

一旦获得此类数据，虚拟模型可用于运行模拟、研究性能问题并带来可能

的改进，所有这些都是为了产生有价值的见解，然后可以将其应用回原始物理

对象。

3.数字季生的类型

根据产品放大倍数的不同，有多种类型的数字挛生。这对数字挛生最大的

区别在于应用领域。不同类型的数字挛生在系统或流程中共存是很常见的。以

下通过数字李生的类型来了解差异以及它们的应用方式。

1、组件挛生/零件李生

组件挛生是数字李生的基本单元，是功能组件的最小示例。零件挛生也大

致相同，但属于不太重要的组件。

2、资产挛生

当两个或多个组件一起工作时，它们就形成了所谓的资产。资产李生让企

业可以研究这些组件的交互，创建大量可以处理的性能数据，然后转化为可操

作的步骤。

3、系统享生或单元挛生

下一级别的放大将涉及系统挛生或单元挛生，这使人们能够看到不同的资

产如何组合在一起形成一个完整的功能系统。系统挛生提供有关资产交互的可

见性，并可能建议性能增强。

4、过程挛生

过程挛生（放大的宏观层面）揭示了系统如何协同工作以创建整个生产设施。

这些系统是否都同步以最高效率运行，或者一个系统的延迟会影响其他系统？

流程挛生可以帮助确定最终影响整体效率的精确时序方案。

4.数字享生的优点

1、更好地研发

使用数字挛生可以更有效地研究和设计产品，并创建大量关于性能结果的

数据。这些信息可以帮助企业在开始生产前对产品进行必要的改进。

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2、更局的效率

即使在新产品投入生产之后，数字挛生也可以帮助镜像和监控生产系统，

着眼于在整个制造过程中实现和保持最高效率。

3、处理工作寿命结束的产品

数字挛生甚至可以帮助制造商决定如何处理工作寿命结束的产品，并需要

通过回收或其他措施进行最终处理。通过使用数字字生，他们可以确定能够回

收哪些材料。

5.数字字生的应用

数字李生技术已广泛用在以下应用场合中：

1、发电设备

大型发动机（包括喷气发动机、机车发动机和发电涡轮机）从数字挛生的使用

中受益匪浅，特别是在帮助建立定期维护的时间表方面。

2、物理结构及其系统

大型建筑物或海上钻井平台等大型物理结构可以通过数字李生进行改进，

尤其是在设计过程中。也可用于设计在这些结构内运行的系统，例如HVAC系

统。

3、制造业务

由于数字挛生旨在反映产品的整个生命周期，因此数字挛生在制造的各个

阶段无处不在，指导产品从设计到成品以及其间的所有步骤也就不足为奇了。

4、医疗保健服务

正如可以通过使用数字挛生对产品进行分析一样，接受医疗保健服务的患

者也可以采用数字李生。相同类型的传感器生成数据系统可用于跟踪各种健康

指标并生成关键见解。

5、汽车行业

汽车是许多类型的复杂、协同工作的系统，数字挛生广泛应用于汽车设计

中，既可以提高汽车性能，也可以提高生产效率。

6、城市规划

土木工程师和其他参与城市规划活动的人员可以通过使用数字季生得到了

极人的帮助，数字季生可以实时显示3D和4D空间数据，还可以将增强现实系

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统纳入建筑环境。

7、军事应用

供应链数字挛生可基于数据对物理供应链的决策提供支持。数字李生在任

何时间点都能够镜像反映物理供应链的实际运输、库存、需求和容量数据等，

可用于供应链规划和实时控制。通过仿真、优化和数据分析等一系列技术，军

方可创建供应链数字李生模型，该模型将始终实时展示供应链网络的状态。在

军事领域，数字李生可用于飞机生产过程中的新模型测试、装备故障预测，并

缩短武器和飞机的制造时间，维护硬件以及协助紧急决策等。表2总结了数字

挛生技术在军事领域的应用。

6.什么是数字挛生

这些年，数字李生可谓炙手可热。数字挛生历来用于工程和建设，但现即

将出现一种新的用途：应对当前的新冠疫情以及任何未来的疫情。

随着5G、物联网、云计算、数字李生等新兴一代技术的发展以及层出不穷

的网络新业务涌现，网络负载不断增加，网络规模持续扩大。由此带来的网络

复杂性，使得网络的运行和维护变得越来越复杂。同时，由于网络运营的高可

靠性要求，网络故障的高代价以及昂贵的试验成本，网络的变动往往牵一发而

动全身，新技术的部署愈发困难.讲数字享生之前先具体来说一下，超大规模

网络发展面临的哪些典型挑战：

1）网络灵活性不足

2）网络新技术研发周期长、部署难度大

3）网络综合管理运维复杂

4）网络优化成本高、风险大

为解次上述困难，网络智能化越来越为各行业、产业界所重视。基于“意

图网络”，“自动驾驶网络“，“零接触（Zero-Touch）网络”等概念和技术相继

被业界提出和推广，希望借助网络智能化技术，实现网络自动化和自主化运行

的愿景。数字挛生系统构建物理网络的实时镜像，可增强物理网络所缺少的系

统性仿真、优化、验证和控制能力，助力上述网络新技术的部署，更加高效地

应对网络问题和挑战。

将数字字生技术应用于网络，创建物理空间的虚拟镜像，即可搭建数字字

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生网络平台。通过物理空间和数字挛生技术实时交互、相互影响，数字挛生网

络平台能够助力网络实现低成本试错、智能化决策利高效率创新。数字李生网

络的研究和应用在产业和学术界还处于起步阶段。

6.1.数字学生的起源(超越现实的概念)

“挛生”的概念最早起源于美国国家航空航天局的“阿波罗计划”；2003

年前后，关于数字挛生(DigitalTwin)的设想首次出现于美国密歇根大学的产品

全生命周期管理课程上；直到2010年，“DigitalTwin”一词在NASA的技术报

告中被正式提出；2012年，美国国家航空航天局与美国空军联合发表了关于数

字李生的论文，重点应用于未来飞行器发展。

近年来，随着多学科建模与仿真技术的飞速发展，数字挛生技术研究成为

热点，得益于物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的发展，

数字挛生在虚拟样机、数字孳生车间、数字挛生工业、数字挛生卫星、智慧能

源、智慧工厂、交通、医疗健康等诸多领域得到成功运用。面向未来网络发展,

伴随着云计算、大数据、人工智能等技术的不断发展以及信息的泛在化，数字

挛生技术也将更广泛地运用于人体活动监控与管理、家居生活和科学研究等领

域，使得整个社会走向虚拟与现实结合的“数字挛生”世界。

什么是数字挛生？学术界和产业界有不同的定义，通俗地可以理解为：以

数字化的方式建立物理实体的虚拟模型，物理111界数字化，借助历史数据、实

时数据和算法模型，实现对物理实体的分析预测和改善优化，具有实时性和闭

环性。数字孳生将割裂的虚拟世界与现实世界融合，是前沿科技下一个代际的

发展主题。

Gartner在其物联网(Internetofthings,IoT〕数字挛生技术报告中提出构建

一个物理实体的数字季生体需要4个关键要素:模型、数据、监控和唯一性。提

出了数字字生的五维模型{PE,VE,Ss,DD,CN},其中，PE表示物理实体，

VE表示虚拟实体，Ss表示服务，DD表示挛生数据，CN表示各部分之间的连接。

国际标准化组织(InternationalOrganizationforStandardization,ISO)发布了面

向制造的数字季生系统框架标准草案，提出包含数据采集域、设备控制域、数

字李生域和用户域的参考框架，该草案即将成为数字李生领域第一个国际标准。

6.2.数字字生定义

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数字挛生网络业界尚无统一的定义，本文将“数字挛生网络”定义为:一个

具有物理网络实体及虚拟挛生体，且二者可进行实时交互映射的网络系统。

在此系统中，各种网络管理和应用可利用数字季生技术构建的虚拟季生体,

基于数据和模型对物理实体进行高效的分析、诊断、仿真和控制。基于此定义,

数字李生应当具备4个核心要素:数据、模型、映射和交互。

解决思路（s>z«Ff*

二雄世界的数据组织方式已经无法满足今天海・数据，导

构系统的有效管理，三维世界势在必行

我们生活的世界抽戳耍达物理世界真实还原物理世界

物理世界三维世界（云舟解决方案）

三维立体二维平面不直观立体真实

实时动态画面割裂看不慢全景直观

活色生香数据分散难皆理一圈可视

丰富多彩业务众多难应用一体应用

图1数字字生图解

1）数据

数据是构建数字李生可视化的基石，通过构建统一的数据共享仓库作为

数字李生网络的单一事实源，高效存储物理网络的配置、拓扑、状态、日志、用

户业务等历史和实时数据，为数字李生提供数据支撑。

2）模型

数字挛生中的模型既包含了对应已知物理对象的机理模型，也包含了大量

的数据驱动模型。其中，“动态”是模型的关键，动态意味着这些模型需要具

备自我学习、自主调整的能力。

3）映射

在数字虚体空间中创建的虚拟事物，与物理实体空间中的现实事物形成了

在形、态、质地、行为和发展规律上都极为相似的虚实精确映射关系，让物理

李生体与数字季生体具有了多元化映射关系，具备了不同的保真度（逼真、抽象

等）特征。

4）交互

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交互是达成虚实同步的关键，数字挛生通过标准化的接口连接网络服务应

用和物理实体系统，完成对于物理网络的实时信息采集和控制，并提供及时

诊断和分析。

??.数字学生系统的概念以及应用

基于四要素构建的网络挛生体可借助优化算法、管理方法、专家知识等对

物理网络进行全生命周期的分析、诊断、仿真和控制，实现物理网络与挛生网络

的实时交互映射，帮助网络以更低成本、更高效率、更小的现网影响部署各种网

络应用，助力网络实现极简化和智慧化运维。

从数字季生的定义可以看出，数字挛生具有以下儿个典型特点：

**1）互操作性：**数字李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，因此数字挛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：**数字李生技术具备集成、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：**数字挛生技术要求数字化，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）高保真性：**数字李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季生场景下，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：**数字挛生中的数字虚体，用于描述物理实体的可视化模型

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

字李生具有闭环性。

??.数字学生关键技术

一个数字季生系统，按照其所能实现的功能来分，大致可分为4个发展阶

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段:

(1)数化仿真阶段

在这个阶段，数字季生要对物理空间进行精准的数字化复现，并通过物联

网实现物理空间与数字空间之间的虚实互动。这一阶段，数据的传递并不一定

需要完全实时，数据可在较短的周期内进行局部汇集和周期性传递，物理世界

对数字世界的数据输入以及数字世界对物理世界的能动改造基本依赖于物联网

硬件设备。

这一阶段主要涉及数字挛生的物理层、数据层和模型层(尤其是机理模型的

构建)，最核心的技术是建模技术及物联网感知技术。通过3D测绘、几何建模、

流程建模等建模技术，完成物理对象的数字化，构建出相应的机理模型，并通

过物联网感知接入技术使物理对象可被计算机感知、识别。

(2)分析诊断阶段

在这个阶段，数据的传递需要达到实时同步的程度。将数据驱动模型融入

物理世界的精准仿真数字模型中，对物理空间进行全周期的动态监控，根据实

际业务需求，逐步建立业务知识图谱，构建各类可复用的功能模块，对所涉数

据进行分析、理解，并对已发生或即将发生的问题做