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一、 數(shù)字孿生的定義及典型特征
標(biāo)準化組織中的定義：數(shù)字孿生是具有數(shù)據(jù)連接的特定物理實體或過程的數(shù)字化表達，該數(shù)據(jù)連接可以保證物理狀態(tài)和虛擬狀態(tài)之間的同速率收斂，并提供物理實體或流程過程的整個生命周期的集成視圖，有助于優(yōu)化整體性能。
學(xué)術(shù)界的定義：數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬實體，借助歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)以及算法模型等，模擬、驗證、預(yù)測、控制物理實體全生命周期過程的技術(shù)手段 。
從根本上講，數(shù)字孿生可以定義為有助于優(yōu)化業(yè)務(wù)績效的物理對象或過程的歷史和當(dāng)前行為的不斷發(fā)展的數(shù)字資料。數(shù)字孿生模型基于跨一系列維度的大規(guī)模，累積，實時，真實世界的數(shù)據(jù)測量 。
企業(yè)的定義：數(shù)字孿生是資產(chǎn)和流程的軟件表示，用于理解、預(yù)測和優(yōu)化績效以實現(xiàn)改善的業(yè)務(wù)成果。數(shù)字孿生由三部分組成：數(shù)據(jù)模型，一組分析或算法，以及知識 。
數(shù)字孿生公司早已在行業(yè)中立足，它在整個價值鏈中革新了流程。作為產(chǎn)品，生產(chǎn)過程或性能的虛擬表示，它使各個過程階段得以無縫鏈接。這可以持續(xù)提高效率，最大程度地降低故障率，縮短開發(fā)周期，并開辟新的商機：換句話說，它可以創(chuàng)造持久的競爭優(yōu)勢 。
從數(shù)字孿生的定義可以看出，數(shù)字孿生具有以下幾個典型特點：
1、互操作性：數(shù)字孿生中的物理對象和數(shù)字空間能夠雙向映射、動態(tài)交互和實時連接，因此數(shù)字孿生具備以多樣的數(shù)字模型映射物理實體的能力，具有能夠在不同數(shù)字模型之間轉(zhuǎn)換、合并和建立“表達”的等同性 。
2、可擴展性：數(shù)字孿生技術(shù)具備集成、添加和替換數(shù)字模型的能力，能夠針對多尺度、多物理、多層級的模型內(nèi)容進行擴展。
3、實時性：數(shù)字孿生技術(shù)要求數(shù)字化，即以一種計算機可識別和處理的方式管理數(shù)據(jù)以對隨時間軸變化的物理實體進行表征。表征的對象包括外觀、狀態(tài)、屬性、內(nèi)在機理，形成物理實體實時狀態(tài)的數(shù)字虛體映射。
4、保真性：數(shù)字孿生的保真性指描述數(shù)字虛體模型和物理實體的接近性。要求虛體和實體不僅要保持幾何結(jié)構(gòu)的高度仿真，在狀態(tài)、相態(tài)和時態(tài)上也要仿真。值得一提的是在不同的數(shù)字孿生場景下，同一數(shù)字虛體的仿真程度可能不同。例如工況場景中可能只要求描述虛體的物理性質(zhì)，并不需要關(guān)注化學(xué)結(jié)構(gòu)細節(jié) 。
5、 閉環(huán)性：數(shù)字孿生中的數(shù)字虛體，用于描述物理實體的可視化模型和內(nèi)在機理，以便于對物理實體的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行監(jiān)視、分析推理、優(yōu)化工藝參數(shù)和運行參數(shù)，實現(xiàn)決策功能，即賦予數(shù)字虛體和物理實體一個大腦。因此數(shù)字孿生具有閉環(huán)性 。
二、 數(shù)字孿生與其他技術(shù)的區(qū)別
數(shù)字孿生與仿真（Simulation）的區(qū)別 ：仿真技術(shù)是應(yīng)用仿真硬件和仿真軟件通過仿真實驗，借助某些數(shù)值計算和問題求解，反映系統(tǒng)行為或過程的模型技術(shù)，是將包含了確定性規(guī)律和完整機理的模型轉(zhuǎn)化成軟件的方式來模擬物理世界的方法，目的是依靠正確的模型和完整的信息、環(huán)境數(shù)據(jù)，反映物理世界的特性和參數(shù)。仿真技術(shù)僅僅能以離線的方式模擬物理世界，不具備分析優(yōu)化功能，因此不具備數(shù)字孿生的實時性、閉環(huán)性等特征 。
數(shù)字孿生需要依靠包括仿真、實測、數(shù)據(jù)分析在內(nèi)的手段對物理實體狀態(tài)進行感知、診斷和預(yù)測，進而優(yōu)化物理實體，同時進化自身的數(shù)字模型。仿真技術(shù)作為創(chuàng)建和運行數(shù)字孿生的核心技術(shù)，是數(shù)字孿生實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與融合的基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)之上，數(shù)字孿生必需依托并集成其他新技術(shù)，與傳感器共同在線以保證其保真性、實時性與閉環(huán)性。
數(shù)字孿生與信息物理系統(tǒng)（CPS）的區(qū)別 ：數(shù)字孿生與 CPS 都是利用數(shù)字化手段構(gòu)建系統(tǒng)為現(xiàn)實服務(wù)。其中，CPS 屬于系統(tǒng)實現(xiàn)，而數(shù)字孿生側(cè)重于模型的構(gòu)建等技術(shù)實現(xiàn)。CPS 是通過集成先進的感知、計算、通信和控制等信息技術(shù)和自動控制技術(shù)，構(gòu)建了物理空間與虛擬空間中人、機、物、環(huán)境和信息等要素相互映射、適時交互、高效協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運行的按需響應(yīng)、快速迭代和動態(tài)優(yōu)化 。
相比于綜合了計算、網(wǎng)絡(luò)、物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng) CPS，數(shù)字孿生的構(gòu)建作為建設(shè) CPS 系統(tǒng)的使能技術(shù)基礎(chǔ)，是 CPS 具體的物化體現(xiàn)。數(shù)字孿生的應(yīng)用既有產(chǎn)品、也有產(chǎn)線、工廠和車間，直接對應(yīng) CPS 所面對的產(chǎn)品、裝備和系統(tǒng)等對象。數(shù)字孿生在創(chuàng)立之初就明確了以數(shù)據(jù)、模型為主要元素構(gòu)建的基于模型的系統(tǒng)工程，更適合采用人工智能或大數(shù)據(jù)等新的計算能力進行數(shù)據(jù)處理任務(wù) 。
數(shù)字孿生與數(shù)字主線（Digital Thread）的區(qū)別 ：數(shù)字主線被認為是產(chǎn)品模型在各階段演化利用的溝通渠道，是依托于產(chǎn)品全生命周期的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，涵蓋產(chǎn)品構(gòu)思、設(shè)計、供應(yīng)鏈、制造、售后服務(wù)等各個環(huán)節(jié)。在整個產(chǎn)品的生命周期中，通過提供訪問、整合以及將不同 / 分散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可操作性信息的能力來通知決策制定者。
數(shù)字主線也是一個允許可連接數(shù)據(jù)流的通信框架，并提供一個包含生命周期各階段功能的集成視圖。數(shù)字主線有能力為產(chǎn)品數(shù)字孿生提供訪問、整合和轉(zhuǎn)換能力，其目標(biāo)是貫通產(chǎn)品生命周期和價值鏈，實現(xiàn)全面追溯、信息交互和價值鏈協(xié)同。由此可見，產(chǎn)品的數(shù)字孿生是對象、模型和數(shù)據(jù)， 而數(shù)字主線是方法、通道、鏈接和接口。
簡單地說，在數(shù)字孿生的廣義模型之中，存在著彼此具有關(guān)聯(lián)的小模型。數(shù)字主線可以明確這些小模型之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系并提供支持。因此，從全生命周期這個廣義的角度來說，數(shù)字主線是屬于面向全生命周期的數(shù)字孿生的 。
數(shù)字孿生和資產(chǎn)管理殼（Asset administration Shell）的區(qū)別 ：出自工業(yè) 4.0 的資產(chǎn)管理殼，是德國自工業(yè) 4.0 組件開始，發(fā)展起來的一套描述語言和建模工具，從而使得設(shè)備、部件等企業(yè)的每一項資產(chǎn)之間可以完成互聯(lián)互通與互操作。借助其建模語言、工具和通訊協(xié)議，企業(yè)在組成生產(chǎn)線的時候，可具備通用的接口，即實現(xiàn)“即插即用”性，大幅度降低工程組態(tài)的時間，更好地實現(xiàn)系統(tǒng)之間的互操作性 。
自數(shù)字孿生和資產(chǎn)管理殼的問世以來，更多的觀點是視二者為美國和德國的工業(yè)文化不同的體現(xiàn)。實際上，相較于資產(chǎn)管理殼這樣一個起到管控和支撐作用的“管家”，數(shù)字孿生如同一個“執(zhí)行者”，從設(shè)計、模型和數(shù)據(jù)入手，感知并優(yōu)化物理實體，同時推動傳感器、設(shè)計軟件、物聯(lián)網(wǎng)、新技術(shù)的更新迭代。但是，基于這兩者在技術(shù)實現(xiàn)層次上比較相近，德國目前也正努力在把資產(chǎn)管理殼轉(zhuǎn)變?yōu)橹螖?shù)字孿生的基礎(chǔ)技術(shù)。
三 、數(shù)字孿生行業(yè)應(yīng)用
近年來，數(shù)字孿生得到越來越廣泛的傳播。同時，得益于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生的實施已逐漸成為可能�，F(xiàn)階段，除了航空航天領(lǐng)域，數(shù)字孿生還被應(yīng)用于電力、水利、船舶、城市管理、農(nóng)業(yè)、建筑、制造、石油天然氣、健康醫(yī)療、環(huán)境保護等行業(yè)，如上圖所示。特別是在智能制造領(lǐng)域，數(shù)字孿生被認為是一種實現(xiàn)制造信息世界與物理世界交互融合的有效手段。許多著名企業(yè)（如空客、洛克希德馬丁、西門子等）與組織（如 Gartner、德勤、中國科協(xié)智能制造協(xié)會）對數(shù)字孿生給予了高度重視，并且開始探索基于數(shù)字孿生的智能生產(chǎn)新模式 。
