摘要

Digital Twin最近幾年比較火，被Gartner連續(xù)三年評(píng)為熱門行業(yè)。借助這篇文章，我從Digital Twin的三個(gè)方面（由來(lái)、組成要素和功能簡(jiǎn)述）談?wù)勎覍?duì)數(shù)字孿生的初步認(rèn)識(shí)。

由來(lái)

“Digital Twin”的中文名是“數(shù)字孿生”，最早于2011年3月被美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL，Air Force Research Laboratory）在一次演講中提出。同時(shí)，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）開(kāi)始關(guān)注數(shù)字孿生。美國(guó)國(guó)防部與美國(guó)通用電氣將數(shù)字孿生用到于工業(yè)數(shù)字化，嘗試構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系。

AFRL把數(shù)字孿生作為一個(gè)創(chuàng)新工具，構(gòu)建飛機(jī)維護(hù)數(shù)字化，解決飛機(jī)維護(hù)問(wèn)題。數(shù)字孿生產(chǎn)生初期的核心價(jià)值并不是簡(jiǎn)單的仿真功能。要更好認(rèn)識(shí)數(shù)字孿生，先了解下數(shù)字孿生的四要素。

四要素

01.模型

雖然仿真模型不是數(shù)字孿生的全部，但卻是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)。在真實(shí)世界，物體是通過(guò)人類的感知器官被識(shí)別的，但是計(jì)算機(jī)并沒(méi)有人類的感知能力。需要通過(guò)數(shù)字化建模，建立真實(shí)世界物體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、元數(shù)據(jù)、功能模型和關(guān)鍵變量，以幫助計(jì)算機(jī)“認(rèn)識(shí)”真實(shí)世界的對(duì)象。同樣，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)存儲(chǔ)的字符型數(shù)據(jù)也難以被人類直觀地認(rèn)識(shí)。人類和計(jì)算機(jī)之間需要借助虛擬仿真的模型，以建立對(duì)真實(shí)世界和數(shù)據(jù)世界的共同認(rèn)知。

02.數(shù)據(jù)

模型好比是建筑的框架結(jié)構(gòu)?；谀Ｐ停?jì)算機(jī)能夠識(shí)別出該建筑是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)、框架剪力墻結(jié)構(gòu)、框架筒體結(jié)構(gòu)或是筒體結(jié)構(gòu)，能夠?qū)φ鎸?shí)世界的對(duì)象進(jìn)行分類。相同的分類里面存在不同的對(duì)象，好比基于同樣的結(jié)構(gòu)修建完成的建筑，每棟建筑都是獨(dú)一無(wú)二的。因?yàn)?，不同的建筑在位置、空間、大小等方面的數(shù)據(jù)都不會(huì)完全相同。需要通過(guò)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步幫助計(jì)算機(jī)“認(rèn)識(shí)”真實(shí)世界的對(duì)象。

模型加上數(shù)據(jù)就構(gòu)成了數(shù)字世界的一個(gè)數(shù)字化對(duì)象。這個(gè)對(duì)象有外在的表現(xiàn)形式——3D模型，也有內(nèi)在的信息——數(shù)據(jù)。

根據(jù)不同的來(lái)源，數(shù)據(jù)可以被分為來(lái)源于物體自身的數(shù)據(jù)和來(lái)源于相關(guān)物體的數(shù)據(jù)。物體自身的數(shù)據(jù)是直接依附于該物體的數(shù)據(jù)，比如長(zhǎng)寬高、溫濕度、運(yùn)行狀態(tài)、告警數(shù)據(jù)。相關(guān)物體的數(shù)據(jù)是間接數(shù)據(jù)，指直接依附于由關(guān)系物體的數(shù)據(jù)，比如天氣數(shù)據(jù)、上下游的供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)。

根據(jù)不同的變化頻率，數(shù)據(jù)可以被分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)是不會(huì)隨時(shí)變化的數(shù)據(jù)，比如建筑的位置、高度數(shù)據(jù)，可以由人工初始定義。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是可能隨時(shí)變化的數(shù)據(jù)，比如溫度、濕度、壓力、運(yùn)行狀態(tài)，需要不斷地獲取最新的數(shù)據(jù)，可以通過(guò)傳感器或人工定時(shí)獲取。

03.映射

要在數(shù)字世界里面模擬真實(shí)世界，就需要建立數(shù)字對(duì)象與真實(shí)對(duì)象的映射關(guān)系。數(shù)字化對(duì)象與真實(shí)對(duì)象的映射關(guān)系是一對(duì)一的，并且是唯一的一對(duì)一。有了模型、數(shù)據(jù)，并且與真實(shí)對(duì)象映射之后，就為真實(shí)世界建立起了一個(gè)一模一樣的數(shù)字世界。用戶可以在數(shù)字世界里面看見(jiàn)真實(shí)世界的對(duì)象，包括一模一樣的外觀、一模一樣的空間位置分布、更加顯而易見(jiàn)的屬性信息和狀態(tài)信息。

04.接口

通過(guò)接口，數(shù)字世界可以將模型、數(shù)據(jù)等內(nèi)容開(kāi)放給外部系統(tǒng)，也可以獲取外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字世界系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

功能

數(shù)字世界被構(gòu)建起來(lái)后，人們可以利用算術(shù)模型、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)手段，基于海量的真實(shí)世界產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和試驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)世界未來(lái)的預(yù)測(cè)，或?qū)v史進(jìn)行再現(xiàn)。

結(jié)論

數(shù)字孿生的概念被正式提出已有8年時(shí)間，已在智慧城市、智慧樓宇、智慧校園、智慧醫(yī)院智慧倉(cāng)庫(kù)、智慧高鐵、智慧消防和智慧港口等方面開(kāi)始應(yīng)用。它可以幫助人們?cè)谟?jì)算機(jī)系統(tǒng)里呈現(xiàn)一模一樣真實(shí)世界，改變?nèi)藗冋J(rèn)識(shí)和管理世界的方式，甚至輔助人類突破真實(shí)世界的束縛，進(jìn)行前所未有的探索和試驗(yàn)。數(shù)字孿生是真實(shí)世界物理對(duì)象的數(shù)字化形態(tài)。

注釋說(shuō)明：

注1：來(lái)源于工業(yè)4.0研究院分析

參考文獻(xiàn)：

1)“數(shù)字孿生體（Digital Twin）是誰(shuí)提出的？”http://www.360doc.com/content/18/0702/21/22368478\_767201704.shtml

2)?Gartner,“china_summary_translation_ex_368081”,“magic_quadrant_for_industria_337297”