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數(shù)字孿生作為產(chǎn)業(yè)數(shù)字化核心技術(shù)之一，正成為當(dāng)下數(shù)字技術(shù)領(lǐng)域的焦點(diǎn)，其商業(yè)模式、應(yīng)用場(chǎng)景、技術(shù)變革、產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)等正成為當(dāng)前政產(chǎn)學(xué)研用各界關(guān)注的熱點(diǎn)。
一、什么是數(shù)字孿生？
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，數(shù)字孿生就是通過(guò)3D測(cè)繪、幾何建模、流程建模等建模技術(shù)，完成物理對(duì)象的數(shù)字化，構(gòu)建出相應(yīng)的機(jī)理模型。
其中，建模技術(shù)是用幾何概念描述對(duì)象的物理形狀，能夠?qū)⑽锢韺?duì)象的實(shí)體形狀映射到虛擬空間，并配合渲染等實(shí)現(xiàn)更好的展示和交互;
機(jī)理模型根據(jù)對(duì)象內(nèi)部機(jī)制或者物質(zhì)流的傳遞機(jī)理建立精確模型，主要是已知物理規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)的表征。
二、數(shù)字孿生的五維模型
數(shù)字孿生的首要任務(wù)是創(chuàng)建應(yīng)用對(duì)象的數(shù)字孿生模型。Grieves教授最初定義了數(shù)字孿生三維模型，即物理實(shí)體、虛擬實(shí)體及二者間的連接。北京航空航天大學(xué)數(shù)字孿生技術(shù)研究所在數(shù)字孿生三維模型的基礎(chǔ)上，增加了孿生數(shù)據(jù)和服務(wù)兩個(gè)新維度，使數(shù)據(jù)孿生可以進(jìn)一步在更多領(lǐng)域落地應(yīng)用。
而這就是數(shù)字孿生的五維模型MDT=（PE,VE,Ss,DD,CN）。
· 物理實(shí)體（PE）
物理實(shí)體是數(shù)字孿生五維模型的基礎(chǔ)，主要包括各子系統(tǒng)具備不同的功能，共同支持設(shè)備的運(yùn)行以及傳感器采集設(shè)備和環(huán)境數(shù)據(jù)。對(duì)物理實(shí)體的準(zhǔn)確分析與有效維護(hù)是建立數(shù)字孿生模型的前提。
· 虛擬實(shí)體（VE）
虛擬實(shí)體模型包括幾何模型、物理模型、行為模型和規(guī)則模型，從多時(shí)間尺度、多空間尺度對(duì)物理實(shí)習(xí)進(jìn)行描述和刻畫，形成對(duì)物理實(shí)體的完整映射。可使用VR與AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)體與物理實(shí)體虛實(shí)疊加及融合顯示，增強(qiáng)虛擬實(shí)體的沉浸性、真實(shí)性及交互性。
· 服務(wù)（Ss）
服務(wù)對(duì)數(shù)字孿生應(yīng)用過(guò)程中面向不同領(lǐng)域、不同層次用戶、不同業(yè)務(wù)所需的各類數(shù)據(jù)、模型、算法、仿真、結(jié)果等進(jìn)行服務(wù)化封裝，并以應(yīng)用軟件或移動(dòng)端App的形式提供給用戶，實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)的便捷與按需使用。
· 孿生數(shù)據(jù)（DD）
孿生數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的驅(qū)動(dòng)，集成融合了信息數(shù)據(jù)與物理數(shù)據(jù)，滿足信息空間與物理空間的一致性與同步性需求，能提供更加準(zhǔn)確、全面的全要素/全流程/全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)支持。
· 連接（CN）
連接模型包括連接使物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、服務(wù)在運(yùn)行中保持交互、一致與同步以及連接使物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、服務(wù)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入孿生數(shù)據(jù)，并使孿生數(shù)據(jù)能夠驅(qū)動(dòng)三者運(yùn)行。
三、數(shù)字孿生的優(yōu)勢(shì)
1.優(yōu)化性能 ：數(shù)字孿生提供物理資產(chǎn)或系統(tǒng)的整體視圖，使企業(yè)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控和優(yōu)化其性能。通過(guò)分析從傳感器收集的數(shù)據(jù)，企業(yè)可以識(shí)別效率低下的情況，預(yù)測(cè)維護(hù)需求，并做出數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策，以提高整體運(yùn)營(yíng)效率。
2.減少停機(jī)時(shí)間 ：通過(guò)持續(xù)監(jiān)控物理資產(chǎn)或系統(tǒng)的狀況，數(shù)字孿生可以幫助在潛在問(wèn)題升級(jí)為重大問(wèn)題之前發(fā)現(xiàn)它們。這使企業(yè)能夠主動(dòng)滿足維護(hù)需求，最大限度地減少計(jì)劃外停機(jī)，并確保平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)。通過(guò)預(yù)測(cè)和預(yù)防故障，企業(yè)可以節(jié)省時(shí)間、資源和成本。
3.提高效率 ：數(shù)字孿生可以深入了解資產(chǎn)或系統(tǒng)的利用方式，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化和效率提高。通過(guò)分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，企業(yè)可以識(shí)別效率低下的領(lǐng)域，消除瓶頸，并最大限度地提高資源利用率。這可以提高生產(chǎn)力、減少浪費(fèi)并提高整體效率。
4.增強(qiáng)決策能力 ：數(shù)字孿生為企業(yè)提供了大量數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的見(jiàn)解，可以為決策過(guò)程提供信息。通過(guò)分析實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)，企業(yè)可以更深入地了解資產(chǎn)績(jī)效、客戶行為和市場(chǎng)趨勢(shì)。這使利益相關(guān)者能夠做出明智的決策、優(yōu)化流程并推動(dòng)創(chuàng)新。
5.節(jié)省成本 ：數(shù)字孿生可以幫助企業(yè)以多種方式降低成本。通過(guò)優(yōu)化資產(chǎn)性能、最大限度地減少停機(jī)時(shí)間并提高效率，企業(yè)可以避免與維修、維護(hù)和中斷相關(guān)的不必要費(fèi)用。此外，數(shù)字孿生中的預(yù)測(cè)分析功能使企業(yè)能夠優(yōu)化資產(chǎn)生命周期管理，從而長(zhǎng)期節(jié)省成本。
6.增強(qiáng)安全和風(fēng)險(xiǎn)管理 ：數(shù)字孿生提供的實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析有助于增強(qiáng)安全和風(fēng)險(xiǎn)管理。通過(guò)檢測(cè)異常情況和潛在風(fēng)險(xiǎn)，企業(yè)可以采取主動(dòng)措施，在其構(gòu)成危險(xiǎn)之前以減輕。這對(duì)于制造、醫(yī)療保健和運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)尤其有利，因?yàn)榘踩惋L(fēng)險(xiǎn)管理是這些行業(yè)的關(guān)鍵因素。
四、數(shù)字孿生的行業(yè)應(yīng)用
· 城市規(guī)劃
通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)可以建立城市的虛擬模型，而數(shù)據(jù)可視化則可以將城市的交通流量、環(huán)境指標(biāo)等數(shù)據(jù)以直觀的方式展示，幫助決策者更好地進(jìn)行城市規(guī)劃和管理。
· 制造業(yè)
數(shù)字孿生可以模擬產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程和性能，而數(shù)據(jù)可視化可以將生產(chǎn)數(shù)據(jù)以可視化的方式呈現(xiàn)，助力制造商優(yōu)化生產(chǎn)流程和提升產(chǎn)品質(zhì)量。
· 醫(yī)療領(lǐng)域
數(shù)字孿生可以模擬人體器官和疾病發(fā)展過(guò)程，數(shù)據(jù)可視化則可以將患者的健康數(shù)據(jù)以圖表形式展示，幫助醫(yī)生做出更精準(zhǔn)的診斷和治療方案。
五、數(shù)字孿生的未來(lái)
數(shù)字孿生是對(duì)物理世界時(shí)空維度的“全息化”重構(gòu)，是從宏觀到微觀的多尺度融合，是多要素的疊加，是將物理世界變?yōu)榭筛兄⒖捎?jì)算、可交互的基礎(chǔ)。
同時(shí)隨著數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法的發(fā)展，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使得更多的物理要素實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，融合機(jī)器學(xué)習(xí)、多尺度建模以及分布式計(jì)算技術(shù)，為解決大規(guī)模、多尺度數(shù)字李生的建模、仿真模擬和可視化提供了無(wú)約束創(chuàng)新的潛力，也為系統(tǒng)自身具備可持續(xù)進(jìn)化提供了無(wú)限可能。
