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　　作家：华如接头院 陈敏杰 张柯 

　　一、什么是数字孪生？

　　数字孪生办法佛过约莫20年的发展和演变，当下已成为热门，数字孪生所以建效法真为中枢的一种本事，也不错称为是建效法真本事的演化发展，并非对建效法真本事的取代。在建效法真本事范围也曾存在许多短板和“卡脖子”的情况下，对数字孪生的接头应建立在建效法真本事基础上挨次渐进。接头到数字孪生本事对建效法真是拓展和鼓励，以及引出的新的问题，也有必要开展深切接头，在除名科学客不雅轨则的前提下，争取终了少走弯路和卓越式发展。

　　数字孪生应具有如下三个基本特质，所针对的对象或过程源流具未必候上的宏不雅捏续性，大约不雅测和获取系统景况数据，何况具有在线或及时打扰、调治的必要和可能。在这个前提下，通过构建数字孪生体并在其上开展接头和分析，最终反馈或作用于物理天下，是数字孪生办法或关联本事的前提和做事任务。除此以外的数字化本事严格真谛来讲皆不成称为数字孪生，举例计较机扶持工程聘请数字化技巧对系统结构、电磁、热的分析，系统仿真中的弹谈仿真和截至系统仿真，作战回击的计较机兵棋或计较机生成军力等，这些数字化方法皆不错也应当是数字孪生本事栈的一部分，但需要有新的架构和范式的牵引和编削集成。

　　进一步从数字孪生的接头对象来看，至少不错分为通俗系统和有组织的复杂系统（或称为“体系”），所谓通俗系统是系统的机理是细目标、不错用数学方程加以形色的，举例航天器；有组织的复杂系统无法用数学方程形色，且自己具有不细目、朦拢、败露等特质，举例城市、战斗或坐蓐制造系统。这两类系统的数字孪生最大的各别是模子和建模方法，其次在系统不雅测和反馈截至上也有权臣的各别，甚而径直决定工程可终了性，最终体面前不同系统数字孪生构建范式上。

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　　二、数字孪生的关联办法

　　数字孪生：Digital Twin（数字双胞胎），也被称为数字映射、数字镜像。是充分利用物理模子、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多法式、多概率的仿真过程，在假造空间中完成映射，从而反应相对应的实体装备的全生命周期过程。

　　数字孪生体：数字孪生体是现有或将有的物理实体对象的数字模子，通过实测、仿真和数据分析来及时感知、会诊、忖度物理实体对象的景况，通过性能和景况优化以及指示发送来调控物理实体对象的步履，通过关联数字模子间的相互学习来进化自己，同期改进利益关联方在物理实体对象生命周期内的决策。

　　MBSE：基于模子的系统工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）是建模方法的体式化应用，以使建模方法支捏系统需求、想象、分析、考证和说明等行径，这些行径从办法性想象阶段驱动，捏续连络到想象开发以及其后的通盘寿命周期阶段。

　　X 言语：是一种面向复杂系统支捏 MBSE 的新一代一体化建效法真言语，X 言语深度和会现有建模言语 SysML、Modelica 的想想及形色表率，基于闹翻事件系统表率 (Discrete Event System Specification, DEVS)，终了系统架构想象和物感性格的一体化建模。

　　LVC：源于军事的一种仿真本事。"实况-假造-构造" (Live、Virtual、Constructive, LVC)，Live代表确凿的东谈主操作确凿的装备，Virtual代表确凿的东谈主操作模拟器，Constructive代表纯数字模子，在军事仿真是应用中，普遍存在以模子西宾、磨砺毅力、装备论证和作战实验为目标，将LVC三种形态的实体在销毁个场景中结伴运行。LVC的体式和好多半字孪生的场景非常访佛。

　　模子：模子是对客不雅天下中的实体和行径进行抽象而形成的正规化的抒发。模子的抒发体式不错是标记、图形、文本、数学公式、几何结构等等。模子的作用是匡助东谈主类分析问题、措置问题、传播理念。

　　三、数字孪生的三个误区

　　连年来，数字孪生本事在航空航天、工业制造、交通物流等多个行业中被平凡应用，但各个行业对数字孪生的认识存在着各别，构建数字孪生体也存在着不同的方法。针对数字孪生普遍存在以下几个误区：

　　01 三维便是数字孪生

　　觉得三维便是数字孪生，忽略数字孪生的重要作用是分析复杂系统，三维视景仅仅结构的可视化，使得东谈主们不雅察孪生对象时有了更直不雅的感受，关联词与关于其内在机理的挖掘和推演还有很大距离；

　　02 以虚控实便是数字孪生

　　觉得在与现实天下双向映射的假造场景中，东谈主们不错截至物理天下中的某些设备，下达指示便是数字孪生。忽略了数字孪生的扶持决策甚而自主决策的作用；

　　03 非凡据无模子

　　在数字孪生系统中，数据存储在联系型数据库或者大数据中，数据大多以二维表的体式存在，数据间的关联联系通过主键、外键或者类SQL查询语句建立。这种体式，莫得在数字空间中，对孪生对象建立起举座的架构模子，也无法形成数据和业务问题间的关联联系，从而无法从数据的角度利用模子算法去挖掘出更深档次的逻辑联系。

　　以上几种误区制约着数字孪生关联本事和应用的发展。

　　四、数字孪生的三种形态

　　数字孪生涯在三种形态，分辩是原生、孪生和共生。

　　01 原生

　　物理天下中尚未出现或者未成型，需要先在数字空间中构建，从而带领物理实体或者有野心的终了。此时物理天下对数字天下的映射聘请离线非及时的方法。

　　02 孪生

　　将物理天下中关切的实体映射在数字空间中，不错及时或者离线式的进行双向的映射和截至。

　　03 共生

　　数字实体和物理实体不分主次，相互依存，统筹兼顾。

　　三种形态不存在递进联系，而是凭据不同的应用场景，使用不同的形态。举例原生形态频繁应用在复杂产物或者复杂体系的想象；孪生形态频繁应用于园区、场站、工场的运营；共生形态是改日的一种模式，跟着元六合关联本事和应用冉冉普及，其应用将会越来越多。

　　五、数字孪生的对象

　　数字孪生的对象包括两个维度：系统和体系。

　　系调处词开端于英文system的音译，即多少部分相互接洽、相互作用，形成的具有某些功能的举座。中国着名学者钱学森觉得：系统是由相互作用相互依赖的多少组成部分结合而成的，具有特定功能的有机举座，而且这个有机举座又是它隶属的更大系统的组成部分。从建效法真是角度来看，系统频繁由固定结构的系统或者分系统，为了完成特定标的而组合组成的。

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　　体系（System of Systems, SoS）是一个由多个系统组成的异常系统；每个组成的系统皆有其各自的管束、标的和资源，同期这些系统在体系中进行团结以达成体系的标的。

　　体系天然是由系统组成，关联词与系统有非常大的诀别，这些诀别皆对数字孪生的终了有着不同的影响。

　　01 结构性

　　系统的结构是组合联系，其组成成分相对固定，体系的结构是团聚联系，跟着外部和里面的变化，会动态调治。

　　02 标的性

　　系统的标的相对明确，不错通过多少许化的方针来进行度量，体系的标的存在一定的不细目性，需要通过众人定性的申饬结合定量方针来协同完成，完成标的的评价维度也相比高。

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　　03 复杂性

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　　系统和体系皆具有复杂的特质，关联词系统的复杂性频繁体面前对其物理特征的形色方面，而体系的复杂性更多的体面前其组成成分的数目多、散播广以及成分的动态团聚和步履败露方面。

　　体系和系统的各别形成对数字孪生的本事终了有在不同的条件，如表所述。

表1 本事条件对比

Tab.1  Comparison of technical requirements

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　　六、数字孪生的应用场景与闇练度

　　数字孪生的应用场景可分为以下三种：

　　01 运营决策

　　利用物联网、东谈主工智能等本事，对现有物理设备或者系统进行集成，不错及时监控运奇迹态，用于城市治理、园区（场站）运维、装备故障忖度和健康管束、产线排程同样、运行能耗分析等；

　　02 优化想象

　　利用CAX、建效法真、运筹学和东谈主工智能等本事，开展产物想象、物流斟酌、工艺和产线想象等做事；

　　03 培训演练

　　利用东谈主工智能、假造现实等本事，将使用者带入假造或虚实结合场景，对济急事件、工艺操作等过程进行反复培训、演练和侦察。

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　　不同应用场景其对本事条件存在各别，在运营决策场景，更关切的是智能度，能否匡助东谈主们扶持决策；在想象决策场景，关切的是确凿度，更侧重模拟确凿天下的确凿度；在培训演练场景，是但愿让受训东谈主员参加到更传神的场景，因此更侧重其拟真度。将闇练度品级分为三级，具体如表所述。

表 2   闇练度品级

Tab.2  Level of Maturity

　　七、“建模-贯串-度量-优化”的数字孪生体构建范式

　　数字孪生体构建范式的中枢是模子，通过建模、贯串、度量和优化四个要道的螺旋迭代，构建一个捏续的、巨擘的、空洞的，具有强关联结构、动态的、可彭胀的数字孪生体，不错为分析问题、措置问题提供真相源。

　　该方法以基于模子的系统工程方法（MBSE）将孪生的物理对象用模子的方法进行抒发；然后建立起模子和模子间、数据和数据间、模子和数据间、模子和物理事件间的关联，从而不错成体系的将多样开端的数据、模子整合起来，形成一个形色孪生对象的动态的数字实体；在该基础上，通过建立量化方针体系，结合众人申饬的定性分析，并聘请仿真本事和数据采集的技巧，解算度量值；临了利用运筹学、神经相聚等技巧，对孪生体模子参数进行调优。以上设施反复螺旋迭代，不错对孪生对象开展多维度、多视点的接头，为识别轨则、优化想象、忖度演化提供复旧。

图 1 数字孪生构建范式

Fig1.  Paradigm of DT Construction

　　01 建模

　　数字化有别于信息化、自动化的重要标识是模子。模子是对客不雅事物的正规化抒发。模子的种类不错分为办法模子、架构模子、算法模子、仿真模子等等。建模是凭据孪生对象的内在机理和外皮环境，以范围元模子为表率，以架构模子视图的体式对孪生对象进行形色和抒发，建模的产出物是一组体系模子视图，明晰、明确的界说了视图模子间的结构和关联。

　　02 贯串

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　　贯串是将第一个要道“建模”的输出：体系模子视图，与仿真模子、数据和物理传感器建立起映射联系的行径。传统的虚实映射，更多的是通过数据接口或者API接口建立起关联联系，莫得架构的敛迹和表率，当数据源或者环境等成分发生变化时，需要在代码层再行联调。本要道是在“建模”的闭幕上，将架构模子和仿真模子、数据源、传感器等进行关联，当发生变化时，不错直不雅在模子视图上进行更新。

　　03 度量

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　　度量是对数字孪生体的多维度的、量化的特征抒发，亦然考证、校验和说明数字孪生体模子的遑急设施。度量是从多个视角，对数字孪生体进行方针想象、数据生成、数据网罗以及挖掘分析的捏续定量化过程。方针想象是指从多个关切点启程想象关联方针和团聚的方针体系；数据生成是指仿真引擎同样模子产生数据的过程；数据采集是指从仿真系统或者物理传感器中征集数据的过程；方针解算是将采集的数据按照方针算法解算的过程。

　　04 优化

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　　优化是想象标的函数，利用运筹学、神经相聚等算法模子，通过调治“建模”中的模子参数，从而得回最优或者最相宜闭幕的过程。优化频繁聘请定性和定量结合的方法，明确的问题用细目标轨则算法，举例线性斟酌、动态斟酌等，不细目标问题聘请神经相聚扶持的方法开展。

　　05 迭代

　　以上四个要道，反复螺旋迭代，目标是构建一个捏续的、巨擘的、可提供巨擘真相源的数字孪生体终点运行环境。

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　　八、典型应用场景

　　01 场景一：供应链优化同样-产运销一体化调运优化数字孪生

　　某大型能源企业，靠近能源供应安全、保电保供等试验难过，以及输送相聚结构通俗抗风险材干较差、东谈主力资源资本较高、供应链业务应用模式与试验业务需求匹配度不高、供应链运造孽果低等诸多问题，需要对其产运销一体化调运系统构建一个数字孪生系统，使企业终了数字化转型、及时化同样，普及供应链相聚举座竞争力，提高坐蓐恶果、运营恶果和安全性。该数字孪生系统的应用场景属于运营决策中的供应链优化，按照建模、贯串、度量和优化构建其数字孪生体，并优化有野心。

　　数字孪生体由煤矿、转运点、货运列车、铁蹊径、请示同样中心、口岸、船舶、电厂、煤产物等组成，每个实体凭据其特征想象了参数和步履经过，并建立模子及各个实体间的联系，以及结合企业的输送相聚结构、业务流转联系等特征，完成通盘产运销一体化调运优化业务模子及场景模子的树立，关联实体业务模子及场景模子如图2所示。

图 2  装车站点、口岸业务模子

Fig2.  Model of Loading Station and Port Business

　　同期，将实体参数与MIS系统中及时采集的数据进行贯串，在仿真系统中通过利用夹杂线性斟酌算法，基于效益最高的标的进行仿真和方针的计较；在优化要道，通过东谈主在回路的方法调治由于算法的问题导致不可实行的部分，进行有野心调优。通过反复迭代，最终形成可下发给各个要道的同样任务。经过优化的有野心与同比有野心经过数学测算，可普及举座利润率。

图 3  铁路输送相聚模子

Fig3.  Model of Rail Transportation Network

　　02 场景二：复杂装备想象-某型舰艇能源安装数字孪生

　　某型舰艇能源安装主要包括泵、阀、换热器、管谈、水箱等、电机、开关、继电器等设备，是一个波及范围广、范围精深、系统复杂、本事密集的遑急系统，径直联系舰艇遂行任务的到手与否。如何合空想象关联参数，是舰艇能源安装接头的主要问题。

　　（1）建模

　　舰艇能源安装模子组件包括可视化组件和设备模子组件，可视化组件是模子无关的，设备模子组件是不错用于组态建模并可在仿真引擎中加载运行的系统模子。针对复杂系统，设备模子组件是一个多专科范围的复合模子，以能源安装为例，典型的系统组件包括：热工水力组件（泵、阀、换热器、管谈、水箱等）、截至组件（截至器，与门，或门等）、电气模子（电机、开关、继电器等）。

　　（2）贯串

　　需要完成的做事东要包括：组件拖放和连线设立。拖放组件在系统中添加现时模子，组件之间连线形色了两个组件之间的变量传递联系。

　　（3）度量

　　舰艇能源安装模子运行过程中，各设备的运行数据及时采集到系统中，可通过可视化界面及时不雅察设备的运奇迹态，同期系统也会给出设备的运行趋势，扶持想象东谈主员对设备参数进行趋势分析。如下图所示。

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图 4  舰艇能源安装模子可视化界面

注：因数据敏锐，上图趋势数据为恒定值。

Fig4.  Visual Interface of the Ship's Power Equipment model 

　　（4）优化

　　舰艇能源安装的优化问题波及多个设备、多个子系统的参数寻优，系统提供了G-N法、L-M法、线性斟酌、动态斟酌、神经相聚算法等多种优化算法，用户可通过组态剪辑器，收敛优化调治模子参数，仿真引擎装载各设备模子参数，在计较步长内，实行优化算法并进行数据交换，得回的最优或者最相宜的闭幕数据会经过预处理后推上前端。

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　　03 场景三：济急模拟演练-化工场拯救演练数字孪生

　　针对某石油化工单元预警忖度材干弱、事故成因分析难、济急处置恶果低等问题，构建模拟仿真演练数字孪生系统，为设备预警忖度、济急处置演练提供应用场景，通过构建仿真模子、献媚装备数据、仿真处置经过，从而完成石油化厂站的济急演练和培训，如下图所示。

图 5化工场济急演练仿真模子

Fig5.  Model of Chemical Plant Emergency Drill 

　　在数字孪生系统开辟中，以安全事故为要点关切对象，建立工场环境、设备外不雅、物理机理、经过步履、处置方法等参数化、全成分的模子；及时接入储罐、设施等运行数据，终了物理实体与假造实体的映射；通过东谈主在回路的方法在数字空间中驱动模子运行和展现，并对重要方针进行评估和分析；从而扶持开展安全事故济急预案优化，增强东谈主员济急处置材干，普及石化厂腐烂预警、特情处置的举座水平。

　　九、数字孪坐蓐物先容

　　上述构建多样数字孪生体所使用的仿真器具为华如科技的“TSIM装备数字孪生”系列产物，产物以自主可控的复杂产物调处建模言语“X言语”和基于模子的系统工程（MBSE）为带领，围绕复杂装备的想象、制造、测试和运营全生命周期，提供体系架构建模、装备假造样机、运营斟酌仿真、半什物仿真、装备假造实训等材干。产物在措置复杂装备的架构想象与装备制造全周期系统仿真考证方面具备先进性和翻新性，是首个将闹翻事件仿真、建模言语、智能体建模等本事用于工业制造的工程化产物，饱和自主可控，仿真引擎和散播式中间件的性能处于海外源流地位。面前产物在核能源、探月工程和计谋装备研制中起到国产替代的作用2014世界杯全赛程表，可为国度数字化转型升级、智能制造等发展计谋提供本事复旧。