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　　作家：华如商量院 陈敏杰 张柯 

　　一、什么是数字孪生？

　　数字孪生办法佛过约莫20年的发展和演变，当下已成为热门，数字孪生所以建效法真为中枢的一种时间，也不错称为是建效法真时间的演化发展，并非对建效法真时间的取代。在建效法真时间边界已经存在很多短板和“卡脖子”的情况下，对数字孪生的商量应建立在建效法真时间基础上依次渐进。筹商到数字孪生时间对建效法确凿拓展和鼓舞，以及引出的新的问题，也有必要开展长远商量，在除名科学客不雅功令的前提下，争取完满少走弯路和逾越式发展。

　　数字孪生应具有如下三个基本特色，所针对的对象或过程首先具未必辰上的宏不雅合手续性，粗略不雅测和获取系统情状数据，况兼具有在线或及时滋扰、诊疗的必要和可能。在这个前提下，通过构建数字孪生体并在其上开展商量和分析，最终反馈或作用于物理寰球，是数字孪生办法或关联时间的前提和服务任务。除此以外的数字化时间严格道理来讲齐不可称为数字孪生，举例猜测机支持工程给与数字化技能对系统结构、电磁、热的分析，系统仿真中的弹谈仿真和放置系统仿真，作战抵挡的猜测机兵棋或猜测机生成军力等，这些数字化方法齐不错也应当是数字孪生时间栈的一部分，但需要有新的架构和范式的牵引和纠正集成。

　　进一步从数字孪生的商量对象来看，至少不错分为通俗系统和有组织的复杂系统（或称为“体系”），所谓通俗系统是系统的机理是信服的、不错用数学方程加以款式的，举例航天器；有组织的复杂系统无法用数学方程款式，且本人具有不信服、暗昧、清晰等特色，举例城市、干戈或坐褥制造系统。这两类系统的数字孪生最大的各异是模子和建模方法，其次在系统不雅测和反馈放置上也有权臣的各异，以至径直决定工程可完满性，最终体当今不同系统数字孪生构建范式上。

　　二、数字孪生的关联办法

　　数字孪生：Digital Twin（数字双胞胎），也被称为数字映射、数字镜像。是充分利用物理模子、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多圭臬、多概率的仿真过程，在造谣空间中完成映射，从而反应相对应的实体装备的全人命周期过程。

　　数字孪生体：数字孪生体是现有或将有的物理实体对象的数字模子，通过实测、仿真和数据分析来及时感知、会诊、瞻望物理实体对象的情状，通过性能和情状优化以及提醒发送来调控物理实体对象的步履，通过关联数字模子间的相互学习来进化本人，同期改进利益关联方在物理实体对象人命周期内的决策。

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　　MBSE：基于模子的系统工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）是建模方法的时势化应用，以使建模方法支合手系统需求、瞎想、分析、考据和说明等举止，这些举止从办法性瞎想阶段运转，合手续贯串到瞎想开发以及自后的通盘寿命周期阶段。

　　X 言语：是一种面向复杂系统支合手 MBSE 的新一代一体化建效法真言语，X 言语深度交融现有建模言语 SysML、Modelica 的念念想及款式要领，基于破碎事件系统要领 (Discrete Event System Specification, DEVS)，完满系统架构瞎想和物感性情的一体化建模。

　　LVC：源于军事的一种仿真时间。"实况-造谣-构造" (Live、Virtual、Constructive, LVC)，Live代表着实的东谈主操作着实的装备，Virtual代表着实的东谈主操作模拟器，Constructive代表纯数字模子，在军事仿确凿应用中，普遍存在以模子西宾、考试强劲、装备论证和作战实验为宗旨，将LVC三种形态的实体在归拢个场景中纠合运行。LVC的时势和很大量字孪生的场景特地访佛。

　　模子：模子是对客不雅寰球中的实体和举止进行抽象而形成的正规化的抒发。模子的抒发时势不错是标记、图形、文本、数学公式、几何结构等等。模子的作用是匡助东谈主类分析问题、处置问题、传播理念。

　　三、数字孪生的三个误区

　　比年来，数字孪生时间在航空航天、工业制造、交通物流等多个行业中被泛泛应用，但各个行业对数字孪生的默契存在着各异，构建数字孪生体也存在着不同的形式。针对数字孪生普遍存在以下几个误区：

房地产方面，张静静指出，当前房地产投资还处在下行过程中，房屋新开工面积出现较为明显的下滑，而明年竣工也并非大年，所以估算明年房地产投资内生增速在-7.3%左右。但现在有新三大工程，包括保障房、城中村、平急两用，如果这三方面工程拉动的房地产净投资量在5000-6000亿，房地产投资增速将回升至-2.5%左右。

10日晚间，李宁在港交所公告，李宁间接全资附属公司High Match Limited与卖方订立买卖协议，计划以22.08亿港元价格收购恒基地产旗下一家主要从事物业投资的公司(下称“目标公司”)，李宁在定价依据中明确“将物业的一部分用作(李宁)集团于香港之总部”。

　　01 三维即是数字孪生

　　以为三维即是数字孪生，忽略数字孪生的枢纽作用是分析复杂系统，三维视景仅仅结构的可视化，使得东谈主们不雅察孪生对象时有了更直不雅的感受，然则与关于其内在机理的挖掘和推演还有很大距离；

　　02 以虚控实即是数字孪生

　　以为在与推行寰球双向映射的造谣场景中，东谈主们不错放置物理寰球中的某些开采，下达提醒即是数字孪生。忽略了数字孪生的支持决策以至自主决策的作用；

　　03 少见据无模子

　　在数字孪生系统中，数据存储在干系型数据库或者大数据中，数据大多以二维表的时势存在，数据间的关联干系通过主键、外键或者类SQL查询语句建立。这种时势，莫得在数字空间中，对孪生对象建立起全体的架构模子，也无法形成数据和业务问题间的关联干系，从而无法从数据的角度哄骗模子算法去挖掘出更深脉络的逻辑干系。

　　以上几种误区制约着数字孪生关联时间和应用的发展。

　　四、数字孪生的三种形态

　　数字孪糊口在三种形态，诀别是原生、孪生和共生。

　　01 原生

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　　物理寰球中尚未出现或者未成型，需要先在数字空间中构建，从而带领物理实体或者决策的完满。此时物理寰球对数字寰球的映射给与离线非及时的形式。

　　02 孪生

　　将物理寰球中温文的实体映射在数字空间中，不错及时或者离线式的进行双向的映射和放置。

　　03 共生

　　数字实体和物理实体不分主次，相互依存，统筹兼顾。

　　三种形态不存在递进干系，而是证据不同的应用场景，使用不同的形态。举例原生形态经常应用在复杂产物或者复杂体系的瞎想；孪生形态经常应用于园区、场站、工场的运营；共生形态是将来的一种模式，跟着元寰宇关联时间和应用冉冉普及，其应用将会越来越多。

　　五、数字孪生的对象

　　数字孪生的对象包括两个维度：系统和体系。

　　系协调词开头于英文system的音译，即多少部分相互筹商、相互作用，形成的具有某些功能的全体。中国知名学者钱学森以为：系统是由相互作用相互依赖的多少组成部分结合而成的，具有特定功能的有机全体，而且这个有机全体又是它附属的更大系统的组成部分。从建效法确凿角度来看，系统经常由固定结构的系统或者分系统，为了完成特定标的而组合组成的。

　　体系（System of Systems, SoS）是一个由多个系统组成的迥殊系统；每个组成的系统齐有其各自的照应、标的和资源，同期这些系统在体系中进行团结以达成体系的标的。

　　体系诚然是由系统组成，然则与系统有特地大的离别，这些离别齐对数字孪生的完满有着不同的影响。

　　01 结构性

　　系统的结构是组合干系，其组成成分相对固定，体系的结构是团聚干系，跟着外部和里面的变化，会动态诊疗。

　　02 标的性

　　系统的标的相对明确，不错通过多极少化的商量来进行度量，体系的标的存在一定的不信服性，需要通过群众定性的教会结合定量商量来协同完成，完成标的的评价维度也相比高。

　　03 复杂性

　　系统和体系齐具有复杂的特色，然则系统的复杂性经常体当今对其物理特征的款式方面，而体系的复杂性更多的体当今其组成成分的数目多、散布广以及成分的动态团聚和步履清晰方面。

　　体系和系统的各异形成对数字孪生的时间完满有在不同的条目，如表所述。

表1 时间条目对比

Tab.1  Comparison of technical requirements

　　六、数字孪生的应用场景与纯属度

　　数字孪生的应用场景可分为以下三种：

　　01 运营决策

　　哄骗物联网、东谈主工智能等时间，对现有物理开采或者系统进行集成，不错及时监控运作事态，用于城市治理、园区（场站）运维、装备故障瞻望和健康照应、产线排程调理、运行能耗分析等；

　　02 优化瞎想

　　哄骗CAX、建效法真、运筹学和东谈主工智能等时间，开展产物瞎想、物流运筹帷幄、工艺和产线瞎想等服务；

　　03 培训演练

　　哄骗东谈主工智能、造谣推行等时间，将使用者带入造谣或虚实结合场景，对救急事件、工艺操作等过程进行反复培训、演练和考查。

　　不同应用场景其对时间条目存在各异，在运营决策场景，更温文的是智能度，能否匡助东谈主们支持决策；在瞎想决策场景，温文的是着实度，更侧重模拟着实寰球的着实度；在培训演练场景，是但愿让受训东谈主员干预到更传神的场景，因此更侧重其拟真度。将纯属度品级分为三级，具体如表所述。

表 2   纯属度品级

Tab.2  Level of Maturity

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　　七、“建模-邻接-度量-优化”的数字孪生体构建范式

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　　数字孪生体构建范式的中枢是模子，通过建模、邻接、度量和优化四个枢纽的螺旋迭代，构建一个合手续的、泰斗的、概括的，具有强关联结构、动态的、可彭胀的数字孪生体，不错为分析问题、处置问题提供真相源。

　　该方法以基于模子的系统工程方法（MBSE）将孪生的物理对象用模子的形式进行抒发；然后建立起模子和模子间、数据和数据间、模子和数据间、模子和物理事件间的关联，从而不错成体系的将多样开头的数据、模子整合起来，形成一个款式孪生对象的动态的数字实体；在该基础上，通过建立量化商量体系，结合群众教会的定性分析，并给与仿真时间和数据采集的技能，解算度量值；终末哄骗运筹学、神经汇集等技能，对孪生体模子参数进行调优。以上门径反复螺旋迭代，不错对孪生对象开展多维度、多视点的商量，为识别功令、优化瞎想、瞻望演化提供支合手。

图 1 数字孪生构建范式

Fig1.  Paradigm of DT Construction

　　01 建模

　　数字化有别于信息化、自动化的枢纽象征是模子。模子是对客不雅事物的正规化抒发。模子的种类不错分为办法模子、架构模子、算法模子、仿真模子等等。建模是证据孪生对象的内在机理和外皮环境，以边界元模子为要领，以架构模子视图的时势对孪生对象进行款式和抒发，建模的产出物是一组体系模子视图，明晰、明确的界说了视图模子间的结构和关联。

　　02 邻接

　　邻接是将第一个枢纽“建模”的输出：体系模子视图，与仿真模子、数据和物理传感器建立起映射干系的举止。传统的虚实映射，更多的是通过数据接口或者API接口建立起关联干系，莫得架构的不休和要领，当数据源或者环境等成分发生变化时，需要在代码层从头联调。本枢纽是在“建模”的已矣上，将架构模子和仿真模子、数据源、传感器等进行关联，当发生变化时，不错直不雅在模子视图上进行更新。

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　　03 度量

　　度量是对数字孪生体的多维度的、量化的特征抒发，亦然考据、校验和说明数字孪生体模子的迫切门径。度量是从多个视角，对数字孪生体进行商量瞎想、数据生成、数据收罗以及挖掘分析的合手续定量化过程。商量瞎想是指从多个温文点启程瞎想关联商量和团聚的商量体系；数据生成是指仿真引擎调理模子产生数据的过程；数据采集是指从仿真系统或者物理传感器中征集数据的过程；商量解算是将采集的数据按照计合算法解算的过程。

　　04 优化

　　优化是瞎想标的函数，哄骗运筹学、神经汇集等算法模子，通过诊疗“建模”中的模子参数，从而取得最优或者最符合已矣的过程。优化经常给与定性和定量结合的形式，明确的问题用信服的章程算法，举例线性运筹帷幄、动态运筹帷幄等，不信服的问题给与神经汇集支持的形式开展。

　　05 迭代

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　　以上四个枢纽，反复螺旋迭代，宗旨是构建一个合手续的、泰斗的、可提供泰斗真相源的数字孪生体极端运行环境。

　　八、典型应用场景

　　01 场景一：供应链优化调理-产运销一体化调运优化数字孪生

　　某大型能源企业，靠近能源供应安全、保电保供等本色繁重，以及运载汇齐集构通俗抗风险智商较差、东谈主力资源本钱较高、供应链业务应用模式与本色业务需求匹配度不高、供应链运积恶果低等诸多问题，需要对其产运销一体化调运系统构建一个数字孪生系统，使企业完满数字化转型、及时化调理，提高供应链汇集全体竞争力，提高坐褥恶果、运营恶果和安全性。该数字孪生系统的应用场景属于运营决策中的供应链优化，按照建模、邻接、度量和优化构建其数字孪生体，并优化决策。

　　数字孪生体由煤矿、转运点、货运列车、铁道路、引导调理中心、口岸、船舶、电厂、煤产物等组成，每个实体证据其特征瞎想了参数和步履进程，并建立模子及各个实体间的干系，以及结合企业的运载汇齐集构、业务流转干系等特征，完成通盘这个词产运销一体化调运优化业务模子及场景模子的成就，关联实体业务模子及场景模子如图2所示。

图 2  装车站点、口岸业务模子

Fig2.  Model of Loading Station and Port Business

　　同期，将实体参数与MIS系统中及时采集的数据进行邻接，在仿真系统中通过哄骗羼杂线性谋合算法，基于效益最高的标的进行仿真和商量的猜测；在优化枢纽，通过东谈主在回路的形式诊疗由于算法的问题导致不可扩充的部分，进行决策调优。通过反复迭代，最终形成可下发给各个枢纽的调理任务。经过优化的决策与同比决策经过数学测算，可提高全体利润率。

图 3  铁路运载汇集模子

Fig3.  Model of Rail Transportation Network

　　02 场景二：复杂装备瞎想-某型舰艇能源安设数字孪生

　　某型舰艇能源安设主要包括泵、阀、换热器、管谈、水箱等、电机、开关、继电器等开采，是一个触及范围广、边界宽绰、系统复杂、时间密集的迫切系统，径直干系舰艇遂行任务的见效与否。若何合理瞎想关联参数，是舰艇能源安设商量的主要问题。

　　（1）建模

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　　舰艇能源安设模子组件包括可视化组件和开采模子组件，可视化组件是模子无关的，开采模子组件是不错用于组态建模并可在仿真引擎中加载运行的系统模子。针对复杂系统，开采模子组件是一个多专科边界的复合模子，以能源安设为例，典型的系统组件包括：热工水力组件（泵、阀、换热器、管谈、水箱等）、放置组件（放置器，与门，或门等）、电气模子（电机、开关、继电器等）。

　　（2）邻接

　　需要完成的服务东要包括：组件拖放和连线缔造。拖放组件在系统中添加现时模子，组件之间连线款式了两个组件之间的变量传递干系。

　　（3）度量

　　舰艇能源安设模子运行过程中，各开采的运行数据及时采集到系统中，可通过可视化界面及时不雅察开采的运作事态，同期系统也会给出开采的运行趋势，支持瞎想东谈主员对开采参数进行趋势分析。如下图所示。

图 4  舰艇能源安设模子可视化界面

注：因数据敏锐，上图趋势数据为恒定值。

Fig4.  Visual Interface of the Ship's Power Equipment model 

全球卫星定位系统维基百科

　　（4）优化

　　舰艇能源安设的优化问题触及多个开采、多个子系统的参数寻优，系统提供了G-N法、L-M法、线性运筹帷幄、动态运筹帷幄、神经汇集算法等多种优化算法，用户可通过组态剪辑器，继续优化诊疗模子参数，仿真引擎装载各开采模子参数，在猜测步长内，扩充优化算法并进行数据交换，取得的最优或者最符合的已矣数据会经过预处理后推上前端。

　　03 场景三：救急模拟演练-化工场拯救演练数字孪生

　　针对某石油化工单元预警瞻望智商弱、事故成因分析难、救急处置恶果低等问题，构建模拟仿真演练数字孪生系统，为开采预警瞻望、救急处置演练提供应用场景，通过构建仿真模子、联接装备数据、仿真处置进程，从而完成石油化厂站的救急演练和培训，如下图所示。

图 5化工场救急演练仿真模子

Fig5.  Model of Chemical Plant Emergency Drill 

　　在数字孪生系统缔造中，以安全事故为重心温文对象，建立工场环境、开采外不雅、物理机理、进程步履、处置措施等参数化、全成分的模子；及时接入储罐、设施等运行数据，完满物理实体与造谣实体的映射；通过东谈主在回路的形式在数字空间中驱动模子运行和展现，并对枢纽商量进行评估和分析；从而支持开展安全事故救急预案优化，增强东谈主员救急处置智商，提高石化厂辞让预警、特情处置的全体水平。

　　九、数字孪坐褥物先容

　　上述构建多样数字孪生体所使用的仿真器具为华如科技的“TSIM装备数字孪生”系列产物，产物以自主可控的复杂产物协调建模言语“X言语”和基于模子的系统工程（MBSE）为带领，围绕复杂装备的瞎想、制造、测试和运营全人命周期，提供体系架构建模、装备造谣样机、运营运筹帷幄仿真、半什物仿真、装备造谣实训等智商。产物在处置复杂装备的架构瞎想与装备制造全周期系统仿真考据方面具备先进性和立异性，是首个将破碎事件仿真、建模言语、智能体建模等时间用于工业制造的工程化产物威尼斯人现金网，十足自主可控，仿真引擎和散布式中间件的性能处于外洋首先地位。目下产物在核能源、探月工程和策略装备研制中起到国产替代的作用，可为国度数字化转型升级、智能制造等发展策略提供时间支合手。