作為工業4.0的重要基石，數字孿生可以實現現實與虛擬的緊密鏈接，從而在制造業、城市規劃和醫療健康等多個領域有著廣泛的應用。本文對數字孿生的技術進行了詳細的講解和說明，希望能對有興趣了解的同學有所幫助。

“數字孿生”英文為“Digital Twin”，最早用于航空航天飛行器的健康維護與保障，其第一步就是先1：1還原出該物體，建立一模一樣的3D數字模型。

舉個例子：對于建立一套樓宇的數字孿生可視化系統而言，首要任務是通過數字化技術還原整棟樓宇的3D數字模型。這包括每一層的空間結構、管道位置、暖通設施、公共照明、消防設施、電梯樓道等諸多方面。隨后，連接各類物聯設備成為下一步關鍵，涵蓋煙霧探測器、區域監控、電子圍欄、門禁道閘以及AI識別系統等。通過這樣的同步連接，整個樓宇區域的客觀真實樣貌得以還原。最終，管理運營者可通過一個大屏輕松實時監控整個樓宇的運行狀態。

借助數字化技術，將現實世界與虛擬世界融合的先進技術。它通過對物理實體進行數字建模，創造出對應的虛擬實體，從而實現了現實與虛擬的緊密連接。數字孿生技術不僅在制造業、城市規劃、醫療健康等多個領域具有廣泛的應用前景，同時被稱為是“工業4.0”的重要基石。

一、數字孿生的構成

數字建模： 數字孿生的基礎是通過數字建模技術對物理實體進行詳細的數學和幾何描述。包括使用GIS建模、航拍建模、手工建模、BIM建模等方式，以高精度還原物體的形狀、結構和特征。

傳感器技術： 實時數據的采集對于數字孿生至關重要。各種傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、運動傳感器等，用于監測物體的各種屬性和狀態。這些傳感器生成的數據反映了物理實體的實時狀態。

物聯網（IoT）連接： 將物理實體與數字孿生保持同步需要使用物聯網技術。各種物聯設備，如傳感器、攝像頭、無線通信設備等，通過互聯網連接，將實時數據傳輸到數字孿生系統中。

實時數據同步： 數字孿生需要能夠實時同步物理實體的狀態。這就要求在數字孿生系統中使用高度先進的實時數據同步技術，確保數字模型與實際情況保持一致。

人工智能（AI）和分析： 數據的分析和處理是數字孿生的關鍵部分。使用人工智能和分析算法，可以從大量實時數據中提取有用的信息，幫助理解物體的行為和性能。

虛擬現實（VR）和增強現實（AR）： 數字孿生的交互性和可視化通常通過虛擬現實和增強現實技術實現。這使得用戶能夠在虛擬環境中與數字孿生進行互動，并觀察實時數據的呈現。

云計算： 存儲和處理大量數據需要強大的計算能力，而云計算技術為數字孿生提供了高效的解決方案。通過云端存儲和處理，數字孿生可以處理復雜的模型和大規模的實時數據。

二、數字孿生的特點

虛實映射: 數字孿生技術要求將現實世界中的物理對象在數字空間進行數字化表示，以實現物體與數字孿生之間的雙向映射、數據連接和狀態交互；

實時同步: 利用實時感知等多元數據的獲取，數字孿生能夠全面、準確、動態地反映物理對象的狀態變化，包括外觀、性能、位置、異常等方面。

共生進化: 在理想狀態下，數字孿生子應涵蓋孿生子對象從設計、生產、運營到報廢的整個生命周期，實現映射和同步狀態，使得孿生子能夠隨著對象生命周期的進展不斷演化和更新；

閉環優化: 構建雙生子的最終目標是通過對物理實體內部機理的描述、規律的分析和趨勢的洞察，形成基于分析和仿真的對物理世界的優化指令或策略，從而實現物理實體的閉環決策優化功能。

數字孿生系統的通用參考架構（圖片來自《數字孿生體白皮書》）

三、數字孿生標準體系

數字孿生標準體系可包含以下部分：

（圖片來自數字孿生百度百科）

四、數字孿生的三個階段

1. “以虛擬實”

這個階段主要集中在數字孿生的創建和設計。在這一階段，物理實體的數據被收集，并在數字空間中進行數字化表示，以構建數字孿生的虛擬實體。

這包括建立模型、算法和數據結構，確保數字孿生在理論上準確地反映實際物體或過程。

2. “以虛映實”

進入這個階段后，數字孿生體與實際物理實體之間建立了雙向映射、數據連接和狀態交互。數字孿生體在實時感知等多元數據的支持下，能夠全面、準確、動態地反映物理實體的狀態變化，包括外觀、性能、位置、異常等方面。

這個階段旨在實現數字孿生體與實際物體的高度同步。

3. “以虛控實”

在這個階段，數字孿生體不僅僅是對物理實體的反映，還涉及對物理實體的實時控制。數字孿生體通過分析模型和算法，提供了對實際物體內部機理的深刻理解。

這使得數字孿生體可以用于制定基于分析和仿真的優化指令或策略，從而實現對物理實體的實時閉環決策和優化功能。

這個階段的目標是通過數字孿生體實現對實際物體的更主動、精細化的控制和優化。

（圖片來自《數字孿生：為城市和你創造一個虛擬副本》歸納的數字孿生城市發展層次 | 集智俱樂部）

五、五維模型

1. PE 實體：單元級（Unit）、系統級（System）和復雜系統級（System of systems）三個層級。
2. VE 虛擬實體：幾何模型（G>v：幾何參數和（裝配）關系）、物理模型（P>v：物理屬性、約束、特征信息等，如結構、流體、電磁場等）、行為模型（B>v：隨時間的演化行為、動態功能行為、性能退化行為等，如狀態機、馬爾科夫鏈等）和規則模型（R>v：基于歷史關聯數據規律規則、基于隱形知識總結或相關領域標準等）。
3. Ss 服務：功能性服務（FService：面向VE的模型管理服務、面向DD的數據管理與處理服務、面向CN的綜合連接服務）和業務性服務（BService：操作人員使用指導、終端用戶使用方法等）。
4. DD 孿生數據：PE數據（D>p：體現PE的規格、功能、性能、關系等物理要素屬性與反應PE運行情況、實時性能、環境參數、突發擾動等數據）、VE數據（D>v：對應VE的四條）、Ss數據（D>s：對應Ss的兩條）、知識數據（D>k：專家知識、行業標準、常用算法庫、模型庫等）和融合衍生數據（D>f：對前四者進行數據轉換、預處理、分類、關聯、集成、融合等相關處理后得到的衍生數據）。
5. CN 各部分連接：CN_PD（傳感器數據傳輸，可使用MTConnect、OP-UC、MQTT等協議）、CN_PV、CN_PS、CN_VD（可使用JDBC、ODBC等數據庫接口）、CN_VS（可使用Socket、RPC、MQSeries等軟件接口）和CN_SD（可使用JDBC、ODBC等數據庫接口）。

六、技術涉及內容

數字孿生技術牽涉廣泛，以下是作為數字孿生工程師所需掌握的技術架構框架。

該框架涵蓋了不僅限于以下5個技術方向：

1. 敏捷的基于模型的系統工程Agile MBSE；
2. HDL語言仿真軟件ModSim；
3. 人工智能(AI)和機器學習(ML)；
4. 3D CAD和3D打??；
5. 虛擬和增強現實(VR/AR)。

相應的軟件主要分為三大類：

1. 數字孿生平臺軟件
2. 數字孿生建模軟件
3. 數字孿生仿真軟件

七、典型應用場景

1. 交通領域

智能交通作為數字孿生智慧城市應用的焦點之一，正日益受到關注。

隨著城市化進程的加速，城市交通網絡的復雜性不斷增加。傳統的人為交通管理方式效率低下，車輛跟蹤困難等問題已成為城市高效運行的制約因素。

數字孿生技術借助多種傳感器和網絡通信技術，實現對道路基礎設施全生命周期的動態監控，精準定位道路參與者。同時，結合數據挖掘和大數據可視化等技術，構建數字孿生智能交通系統，可幫助交管部門提前制定交通應急疏散預案，有效緩解交通擁堵問題。

2. 水利領域

運用云計算、大數據、人工智能、虛擬現實等新一代信息技術，采集全量數據，實現江河水庫、水網建設、工程調度等的可視化展示，并進行智能化模擬和前瞻性預演。

借助視頻孿生技術，水利實景的數字孿生時空底座得以成功構建，精細地還原了水利業務全場景和全要素態勢。同時，水利專業數據底板得以建立，有效整合了水利各部門現有信息系統的各類數據資源。

通過結合孿生場景與動態仿真推演能力，并融入5G、大數據、云計算、AI、融合通信等前沿技術，實現了信息、技術、設備與水利管理需求的深度融合。這一創新舉措全面支撐了“2+N”水利智能業務應用體系，覆蓋了流域總覽、流域防洪監測、水庫監測、水利調度、智慧水務、河湖巡檢等多個業務領域。

此外，數據分析、對象管理、對象剖分、設備控制、實時告警管理、虛擬漫游等豐富功能的提供，為水利業務應用提供了強大的支持，有效提升了水利跨部門決策和資源協調的效率。

3. 園區領域

數字孿生技術為零碳智慧園區提供全方位支持，助力實現雙碳目標。

在數字孿生的引領下，智慧園區管理得以全面優化，包括運營、安防、業務等方面，從而實現管理成本的降低和工作效率的提升，同時改善員工的工作與生活體驗。

隨著我國“雙碳”戰略的推進，零碳園區迅速崛起。據國際能源署數據顯示，我國工業園區的能源消耗占全社會總能耗的69%，碳排放量占全國總排放量的31%，且呈持續增長態勢。因此，零碳園區的建設顯得尤為重要，成為智慧園區未來發展的必然趨勢。

數字孿生技術為零碳園區建設提供了有效的支持。通過數字孿生園區基礎設施，結合傳感技術采集碳排放相關數據，再利用AI算法進行碳排放規劃、碳計算、能效監控等方面的模擬與預測工作。

這樣的舉措有助于構建高效、安全、智慧的零碳園區，加速實現園區雙碳目標。

4. 工業制造領域

利用實景數字孿生場景，綜合運用大數據、人工智能、時空位置智能等前沿技術進行全面態勢分析。通過打造領導駕駛艙，實現對工廠生產、安全、設備、環境、告警等各方面綜合態勢的直觀掌控。

在孿生場景中，通過接入人員定位和業務系統，可以直觀地監測車間工人是否在自己的工位上，了解他們正在執行的任務以及工作效率和連續工作時間。當人員出現在危險區域時，系統將自動發出對講機呼叫告警。

同時，整個車間設備的運行狀況也能一目了然。我們可以輕松發現哪個加工中心已經連續運行超過設定的天數，哪臺車床經常處于閑置狀態，以及哪個齒輪箱的高速軸承溫度超標、哪臺電機存在振動超標等情況。

系統對這些數據進行實時分析，準確預測設備的運行狀況。任何有問題的部位都會通過3D可視化手段直觀展示出來，以便管理人員及時排查隱患。

工業企業通過物聯網及邊緣計算上傳相關數據后，使用數字孿生技術可以完成生產、能耗、設備、設計、制造管理等工作，進而實現提質、降本、創收、 增效四大價值。

5. 城市應急領域

通過數字化建模和仿真，構建城市應急情景模型，對不同應急情景進行模擬和演練，并預測各種緊急情況的影響和后果，并提前采取措施進行應對。

將城市實時數據和歷史數據進行整合和分析，預測可能存在的災害風險和隱患；也可以模擬災難預警情景，提前發現潛在的安全隱患。

通過傳感器收集空氣質量、溫度、濕度等數據，對城市環境進行監測和評估，模擬城市環境污染、氣象變化等情況。

對危險品運輸路線、裝卸場所等進行監測，同時對危險品事故進行還原和分析，保障公眾安全；模擬并預測事故，對應急措施進行演練。

6. 能源電力領域

電力數字孿生技術利用大數據支持，深度挖掘物理世界電網運行全過程數據信息，并進行模型構建。這些模型以全覆蓋、多維度、無限近真的方式投射至虛擬世界，使實體電網與虛擬電網處于交互映射狀態。

實體電網負責基本供電功能，而虛擬電網則用于智慧解析、智能決策、實時全方位監測電網運行狀態，并預測未來發展趨勢。系統會發送狀態報告和預警報告至人工接收臺，以確保實體電網能夠在第一時間得到維護，及時阻斷故障發展，保障電網經濟高效、安全穩定運行。

電力數字孿生技術全面優化電網運行策略，助力電網運維向智能化、精益化、高效化轉型升級。

7. 醫療領域

首先，醫療專業人員可以利用數字孿生模型，根據患者的生理特征和疾病狀態，設計個性化的治療方案，從而提高治療效果并減少不良反應。

其次，數字孿生可用于模擬手術過程，協助醫生進行手術規劃，通過實踐和調整提高手術成功率并減少并發癥的風險。

此外，基于數字孿生模型，醫療研究人員能夠分析生理特征與疾病之間的關聯性，預測個體患病風險并采取預防措施。

最后，數字孿生可用于模擬藥物在人體內的作用，加速藥物研發過程，預測藥物的有效性和安全性，從而減少動物試驗和臨床試驗的成本和時間。

八、總結與展望

數字孿生技術的未來充滿了無限可能性。它已經在多個領域證明了自己的價值，如工業制造、醫療保健、城市規劃等。

隨著技術的不斷進步，數字孿生將更加智能化和自主化，能夠更好地模擬真實世界，并為我們提供更加精確、實時的數據和反饋。

未來，我們可以期待數字孿生技術與虛擬現實、增強現實等技術的深度融合，為用戶帶來更加沉浸式的體驗。

綜上所述，數字孿生技術的未來將會持續引領著科技創新的潮流，為我們的生活和工作帶來更多的便利和可能性。

文章至此告一段落，深知其中或有疏漏與不足。懇請各位讀者不吝賜教，積極留言反饋與補充，若有不當之處，更望各位指正。期待在評論區與您相見，共同探討，共同進步！

參考資料

1. 陶飛, 馬昕，胡天亮，等·數字孿生標準體系[J]：計算機集成制造系統，2019, 25(10)
2. 陶飛,劉蔚然,張萌,胡天亮,戚慶林,張賀,隋芳媛,王田,徐慧,黃祖廣,馬昕,張連超,程江峰,姚念奎,易旺民,朱愷真,張新生,孟凡軍,金小輝,劉中兵,何立榮,程輝,周二專,李洋,呂倩,羅椅民.數字孿生五維模型及十大領域應用[J].計算機集成制造系統,2019,25(01):1-18.DOI:10.13196/j.cims.2019.01.001.
3. 數字孿生應用白皮書2020：http://www.cesi.cn/202011/7002.html
4. 《數字孿生：為城市和你創造一個虛擬副本》：https://www.huxiu.com/article/303182.html