数字孪生科普解读之一：什么是数字孪生

数字孪生科普解读

数字孪生是什么？

数字孪生是一项新兴技术，源自于美国国家航空航天局的阿波罗项目，通过在数字世界中建立与物理实体完全一致的模型，实现对物体的实时仿真。这个模型利用真实物体上安装的传感器数据作为边界条件，让数字孪生体与物理实体同步运作。

数字孪生的由来

　　数字孪生概念可追溯到1970年美国国家航空航天局（NASA）的阿波罗项目。NASA建设了一套完整的、高水准的地面半物理仿真系统，用于培训宇航员和控制人员，包括模拟多种故障场景的处理。这一仿真系统包含各式各样功能的模拟器，由联网的多台计算机控制。指令舱模拟器用了四台计算机，登月舱模拟器用了三台计算机。在模拟培训中，唯一真实的东西是乘员、座舱和任务控制台，其他所有的一切，都是由很多计算机、许多的公式以及经验丰富的技术人员仿真而创造出来的。

　　2003年，美国密歇根大学的迈克尔·格里夫斯教授针对设备全生命周期管理，提出了物理实体的虚拟数字表达，并提出了三维模型，但当时并没有用数字孪生这个术语。

　　NASA在其特定的工程实践中，首先认识到了建设物理孪生的重要性。随着计算机、网络技术的高速发展，特别是软件技术与仿真技术的高度发展，使得各种物理孪生对象，从功能上、行为上完全可以用计算机系统进行仿真替代，在此基础上，很自然地提出了数字孪生概念。2012年，NASA在其发布的技术路线图的”Simulation-Based Systems Engineering”部分中，首次提出了数字孪生（Digital Twins）的概念。

　　2015年以来，西门子，GE等公司将数字孪生应用到工业界，开发了工业系统、医疗系统的数字孪生。

　　2017—2019年，Gartner连续三年将数字孪生列入十大战略性技术。数字孪生引起广泛关注和高度重视，开始在各行各业获得应用。

数字孪生有哪些应用前景？

数字孪生有广泛的应用前景。在医疗行业，可以为每个病人建立数字孪生，了解其健康状况并预测治疗方案的效果。在航空领域，航空公司可以应用数字孪生技术提高飞机日常检修维护效率，避免事故发生。在电力行业，发电企业和电网公司可以利用数字孪生技术进行电网仿真和设备运维，提高电力系统的准确度和运维效率。

数字孪生和常规数值仿真有什么区别？

数字孪生和常规数值仿真有很大不同。首先，数字孪生具有高保真性，能够更贴近真实物体的特性。其次，数字孪生是“活模型”，会随着物体状态和环境变化而实时演变。而常规数值仿真则使用不变或不经常变的模型。另外，数字孪生和物理实体构成闭环关系，数字孪生会实时感知物体状态并对其进行仿真、预测和分析，反过来影响物理实体的决策。而常规数值仿真和物理实体之间则是开环关系。

为什么需要数字孪生？

数字孪生的出现解决了一些现实难题。建造物理实体的物理孪生成本高昂且难以实现完全一致。同时，在真实物体上进行试错可能带来风险和高成本。数字孪生技术可以在数字世界中“克隆”与真实物体高度相似的模型，并在其中进行各种“假设-分析”场景，从而提前了解决策在物理实体上的可行性，从而大大降低试错成本。

数字孪生是未来科技奇迹还是现实生活必备？

数字孪生无疑是未来科技的重要趋势，它在医疗、航空、电力等领域的应用前景非常广阔。随着传感技术、云计算、大数据技术和人工智能的不断发展，数字孪生的支撑技术越来越成熟，将助力各行各业实现智能化和数字化的目标。它既是一种前沿科技，又是实际生活中的必备工具，让我们在虚拟空间中更好地了解和管理真实世界的物体。