數(shù)字孿生，來自英文術(shù)語Digital Twin，簡稱DT。數(shù)字孿生作為一項新興技術(shù)，已被美國知名咨詢及分析機構(gòu)Gartner連續(xù)三年列入十大戰(zhàn)略性技術(shù)。數(shù)字孿生在諸多行業(yè)都有廣泛的應用前景，例如：醫(yī)療部門嘗試采用數(shù)字孿生技術(shù)，為每個病人建立其數(shù)字孿生，借此可了解患者的健康狀況并預測治療方案的效果；航空公司在嘗試應用數(shù)字孿生技術(shù)，提高飛機日常檢修維護效率，避免大事故發(fā)生；在電力行業(yè)，發(fā)電企業(yè)、電網(wǎng)公司應用數(shù)字孿生技術(shù)于電網(wǎng)仿真、設備運維等方面，提高電力系統(tǒng)仿真準確度和運維效率。

什么是數(shù)字孿生？

數(shù)字孿生是在數(shù)字世界中建立與物理實體的性能完全一致，且可對其進行實時仿真的模型。利用安裝在真實系統(tǒng)上的傳感器數(shù)據(jù)作為該仿真模型的邊界條件，實現(xiàn)數(shù)字孿生體與物理實體的同步。

數(shù)字孿生是在數(shù)字世界里建立的與物理實體的高度相似實體，物理實體和數(shù)字孿生之間存在同步和閉環(huán)關(guān)系。通過實時感知物理實體的狀況和環(huán)境，數(shù)字孿生體隨物理實體而演變，保持高度保真性，同時，通過在數(shù)字孿生上的仿真、推演和預測分析，反過來作用于物理實體。

數(shù)字孿生和常規(guī)數(shù)值仿真的區(qū)別

數(shù)字孿生的主要功能是對物理實體進行仿真，但數(shù)字孿生和常規(guī)數(shù)值仿真相比，在內(nèi)涵和支撐技術(shù)方面都有所不同，主要體現(xiàn)在如下幾個方面：

1）數(shù)字孿生和常規(guī)數(shù)值仿真相比，具有高保真性（high fidelity），體現(xiàn)了數(shù)字孿生中“孿生”的含義。

2）常規(guī)數(shù)值仿真采用不變或不經(jīng)常變的模型，數(shù)字孿生是“活模型”，隨物理實體的狀態(tài)及運行環(huán)境變化而同步跟蹤并實時演變（evolutionary model）。

3)常規(guī)數(shù)值仿真和物理實體之間是開環(huán)關(guān)系，而數(shù)字孿生和物理實體構(gòu)成閉環(huán)。一方面，數(shù)字孿生需要實時感知物理實體并隨實體而演變，另一方面，在數(shù)字孿生上進行的仿真、推演、預測結(jié)果，將反饋給物理實體，支持物理實體的決策。

4）常規(guī)數(shù)值仿真大多采用機理建模方法構(gòu)建模型，而建立數(shù)字孿生時，可以采用機理模型建模方法，更多情況下需要采用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法或數(shù)據(jù)驅(qū)動和機理模型建模相結(jié)合的方法。

5）常規(guī)數(shù)值仿真通常是單物理場、單時間尺度的，因數(shù)字孿生需要關(guān)注物理實體的全生命周期過程、各方面的特性，通常需要建立多時間尺度、多物理場的仿真模型。

6）常規(guī)數(shù)值仿真需要的技術(shù)較為單一，了解物理實體的物理特性，并利用計算機實現(xiàn)編程即可。數(shù)字孿生需要先進的傳感技術(shù)，通信技術(shù)，云邊協(xié)同技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸、儲存、處理和分析技術(shù)，人工智能技術(shù)，AR、VR和其他先進的可視化技術(shù)。

數(shù)字孿生的由來

數(shù)字孿生概念可追溯到1970年美國國家航空航天局（NASA）的阿波羅項目。NASA建設了一套完整的、高水準的地面半物理仿真系統(tǒng)，用于培訓宇航員和控制人員，包括模擬多種故障場景的處理。這一仿真系統(tǒng)包含各式各樣功能的模擬器，由聯(lián)網(wǎng)的多臺計算機控制。指令艙模擬器用了四臺計算機，登月艙模擬器用了三臺計算機。在模擬培訓中，唯一真實的東西是乘員、座艙和任務控制臺，其他所有的一切，都是由很多計算機、許多的公式以及經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員仿真而創(chuàng)造出來的。

2003年，美國密歇根大學的邁克爾·格里夫斯教授針對設備全生命周期管理，提出了物理實體的虛擬數(shù)字表達，并提出了三維模型，但當時并沒有用數(shù)字孿生這個術(shù)語。

NASA在其特定的工程實踐中，首先認識到了建設物理孿生的重要性。隨著計算機、網(wǎng)絡技術(shù)的高速發(fā)展，特別是軟件技術(shù)與仿真技術(shù)的高度發(fā)展，使得各種物理孿生對象，從功能上、行為上完全可以用計算機系統(tǒng)進行仿真替代，在此基礎(chǔ)上，很自然地提出了數(shù)字孿生概念。2012年，NASA在其發(fā)布的技術(shù)路線圖的”Simulation-Based Systems Engineering”部分中，首次提出了數(shù)字孿生（Digital Twins）的概念。

2015年以來，西門子，GE等公司將數(shù)字孿生應用到工業(yè)界，開發(fā)了工業(yè)系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)的數(shù)字孿生。

2017—2019年，Gartner連續(xù)三年將數(shù)字孿生列入十大戰(zhàn)略性技術(shù)。數(shù)字孿生引起廣泛關(guān)注和高度重視，開始在各行各業(yè)獲得應用。

數(shù)字孿生的發(fā)展過程

為什么需要數(shù)字孿生？

建造物理實體的物理孿生代價太大，而且嚴格意義上，物理實體獨一無二，無法實現(xiàn)兩個物理實體的完全一致；另一方面，在物理實體上試錯成本高，例如，在真實電力系統(tǒng)中做故障試驗風險很大。運用數(shù)字孿生技術(shù)，可以在不改變原有物理實體的情況下，“克隆”出與之高度相似的數(shù)字實體，在數(shù)字世界中可以看到物理實體的各種特性，并且可以在數(shù)字孿生上模擬不同的“假設-分析”（What-if）場景，并對物理實體進行性能改進，可以提前知道某項決策運用在物理實體上是否可行，因此，可大大減少試錯成本。

小結(jié)：

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生與傳統(tǒng)的數(shù)值仿真相比，內(nèi)涵和功能更加豐富，支撐技術(shù)更全面和先進。

數(shù)字孿生概念已提出多年，直到近兩三年才引起廣泛重視，這是因為數(shù)字孿生的支撐技術(shù)如傳感技術(shù)、云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，為數(shù)字孿生的落地應用奠定了基礎(chǔ)，另一方面，也是各行各業(yè)的智能化、數(shù)字化發(fā)展目標與數(shù)字孿生相契合。

圖文：中國電力科學研究院人工智能應用研究所 張東霞