數字孿生是什么？典型特征有哪些？技術架構解析

1 什么是數字孿生

數字孿生的基礎與核心是數據與模型，兩者集成融合，在此基礎上在數字空間實時構建物理對象的精準數字化映射，通過數據整合與分析預測，模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程，形成智能決策的優化閉環。面向的物理對象主要有實物、行為、過程，與孿生體相關的數據有實時傳感數據與運行歷史數據，集成的模型涵蓋物理模型、機理模型和流程模型等。

數字孿生與部分技術概念關聯性強，但又不完全相同：

(1)仿真技術。數字孿生的核心技術之一，基于確定性規律和完整機理模型來模擬物理世界的軟件方法，但仿真只是以離線的方式模擬物理世界，在研發、設計階段應用，不搭載分析優化功能，沒有實時同步、閉環優化等特征。

(2)資產管理殼(AAS)。其本質是基于德國工業4.0 體系搭建的一套描述語言和建模工具，旨在提升生產資料之間的互聯互通和互操作性。AAS是支撐數字孿生的基礎技術之一，數字孿生與 AAS在一定程度上代表了美國和德國工業數字化轉型的不同理念。

(3)數字線程(Digital Thread)。是實現數字孿生多類模型數據融合的重要技術，發源并廣泛應用在航空航天業，是覆蓋復雜產品全生命周期的數據流，集成并驅動以統一模型為核心的產品設計、制造和運營。

2 數字孿生的典型特征

(1)虛實映射。數字孿生技術要求在數字空間構建物理對象的數字化表示，現實世界中的物理對象和數字空間中的孿生體能夠實現雙向映射、數據連接和狀態交互。

(2)實時同步。在實時傳感等技術的基礎上進行多元數據的獲取，孿生體可全面、精準、動態反映物理對象的狀態變化，有外觀、性能、位置、異常等。

(3)共生演進。在理想狀態下，數字孿生所實現的映射和同步狀態應覆蓋孿生對象從設計、生產、運營到報廢的全生命周期，孿生體應隨孿生對象生命周期進程而不斷演進更新。

(4)閉環優化。孿生體最終目的是在描述物理實體內在機理的基礎上，分析規律、洞察趨勢，通過分析與仿真對物理世界形成優化指令或策略，實現對物理實體決策優化功能的閉環。

3 數字孿生的架構

數字孿生系統主要有四個實體層級：

(1)數據采集與控制實體，包括感知、控制、標識等技術，承擔孿生體與物理對象間上行感知數據的采集和下行控制指令的執行。

(2)核心實體，依托通用支撐技術，實現模型構建與融合、數據集成、仿真分析、系統擴展等功能，是生成孿生體并拓展應用的主要載體。

(3)用戶實體，以可視化技術和虛擬現實技術為主，承擔人機交互的職能。

(4)跨域實體，承擔各實體層級之間的數據互通和安全保障職能。

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