「 1. 數字孿生的概念 」

全球最具權威的IT研究與顧問咨詢公司Gartner在2019年十大戰略科技發展趨勢中將數字孿生作為重要技術之一，其對數字孿生的描述為：數字孿生是現實世界實體或系統的數字化體現。

圖1 數字孿生最初概念模型及其術語名詞的前身——PLM的概念化理想

關于數字孿生的定義很多。陶飛教授在自然雜志的評述中認為，數字孿生作為實現虛實之間雙向映射、動態交互、實時連接的關鍵途徑，可將物理實體和系統的屬性、結構、狀態、性能、功能和行為映射到虛擬世界，形成高保真的動態多維／多尺度／多物理量模型，為觀察物理世界、認識物理世界、理解物理世界、控制物理世界、改造物理世界提供了一種有效手段。

CIMdata推薦的定義是：“數字孿生：是基于物理實體的系統描述，可以實現對跨越整個系統生命周期可信來源的數據、模型和信息進行創建、管理和應用?！贝硕x簡單，但若沒有真正理解其中的關鍵詞（系統描述，生命周期，可信來源，模型），則可能產生誤解。

「 2. 數字孿生的模型 」

1）數字孿生的概念模型

基于數字孿生的文字定義，圖2給出數字孿生的五維概念模型。

圖2 數字孿生五維概念模型

數字孿生五維概念模型是一個通用的參考架構，能適用不同領域的不同應用對象。其次，它的五維結構能與物聯網、大數據、人工智能等新信息技術集成與融合，滿足信息物理系統集成、信息物理數據融合、虛實雙向連接與交互等需求。再次，孿生數據（DD）集成融合了信息數據與物理數據，滿足信息空間與物理空間的一致性與同步性需求，能提供更加準確、全面的全要素/全流程/全業務數據支持。服務（Ss）對數字孿生應用過程中面向不同領域、不同層次用戶、不同業務所需的各類數據、模型、算法、仿真、結果等進行服務化封裝，并以應用軟件或移動端App的形式提供給用戶，實現對服務的便捷與按需使用。連接（CN）實現物理實體、虛擬實體、服務及數據之間的普適工業互聯，從而支持虛實實時互聯與融合。虛擬實體（VE）從多維度、多空間尺度及多時間尺度對物理實體進行刻畫和描述。

2）數字孿生的系統架構

圖3給出了數字孿生系統的通用參考架構。一個典型的數字孿生系統包括用戶域、數字孿生體、測量與控制實體、現實物理域和跨域功能實體共5個層次。

圖3 數字孿生系統的通用參考架構

3）數字孿生的成熟度模型

數字孿生不僅僅是物理世界的鏡像，也要接受物理世界實時信息，更要反過來實時驅動物理世界，而且進化為物理世界的先知、先覺甚至超體。這個演變過程稱為成熟度進化，即數字孿生的生長發育將經歷數化、互動、先知、先覺和共智等幾個過程（圖4）。

圖4 數字孿生成熟度模型

（1）數化。數化是對物理世界數字化的過程。這個過程需要將物理對象表達為計算機和網絡所能識別的數字模型。建模技術是數字化的核心技術之一，例如測繪掃描、幾何建模、網格建模、系統建模、流程建模、組織建模等技術。物聯網是“數化”的另一項核心技術，將物理世界本身的狀態變為可以被計算機和網絡所能感知、識別和分析。

（2）互動。互動主要是指數字對象及其物理對象之間的實時動態互動。物聯網是實現虛實之間互動的核心技術。數字世界的責任之一是預測和優化，同時根據優化結果干預物理世界，所以需要將指令傳遞到物理世界。物理世界的新狀態需要實時傳導到數字世界，作為數字世界的新初始值和新邊界條件。另外，這種互動包括數字對象之間的互動，依靠數字線程來實現。

（3）先知。先知是指利用仿真技術對物理世界的動態預測。這需要數字對象不僅表達物理世界的幾何形狀，更需要在數字模型中融入物理規律和機理。仿真技術不僅建立物理對象的數字化模型，還要根據當前狀態，通過物理學規律和機理來計算、分析和預測物理對象的未來狀態。

（4）先覺。如果說“先知”是依據物理對象的確定規律和完整機理來預測數字孿生的未來，那“先覺”就是依據不完整的信息和不明確的機理，通過工業大數據和機器學習技術來預感未來。如果要求數字孿生越來越智能和智慧，就不應局限于人類對物理世界的確定性知識，因為人類本身就不是完全依賴確定性知識而領悟世界的。

（5）共智。共智是通過云計算技術實現不同數字孿生之間的智慧交換和共享，其隱含的前提是單個數字孿生內部各構件的智慧首先是共享的。所謂“單個”數字孿生體是人為定義的范圍，多個數字孿生單體可以通過“共智”形成更大和更高層次的數字孿生體，這個數量和層次可以是無限的。

來源于：智造苑 ，作者小智