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　　作家：华如酌量院 陈敏杰 张柯 

　　一、什么是数字孪生？

　　数字孪生办法佛过简陋20年的发展和演变，当下已成为热门，数字孪生所以建师法真为中枢的一种时代，也不错称为是建师法真时代的演化发展，并非对建师法真时代的取代。在建师法真时代鸿沟已经存在好多短板和“卡脖子”的情况下，对数字孪生的酌量应建立在建师法真时代基础前递次渐进。探讨到数字孪生时代对建师法果然拓展和鼓舞，以及引出的新的问题，也有必要开展深入酌量，在解任科学客不雅规则的前提下，争取杀青少走弯路和跳跃式发展。

　　数字孪生应具有如下三个基本特色，所针对的对象或过程开赴点具随机期上的宏不雅握续性，约略不雅测和获取系统情景数据，况兼具有在线或及时过问、调养的必要和可能。在这个前提下，通过构建数字孪生体并在其上开展酌量和分析，最终反馈或作用于物理寰宇，是数字孪生办法或关系时代的前提和服务任务。除此除外的数字化时代严格真理来讲都不可称为数字孪生，举例打算机扶助工程选用数字化技能对系统结构、电磁、热的分析，系统仿真中的弹说念仿真和摈弃系统仿真，作战抗拒的打算机兵棋或打算机生成军力等，这些数字化方法都不错也应当是数字孪生时代栈的一部分，但需要有新的架构和范式的牵引和校正集成。

　　进一步从数字孪生的酌量对象来看，至少不错分为粗略系统和有组织的复杂系统（或称为“体系”），所谓粗略系统是系统的机理是细宗旨、不错用数学方程加以形貌的，举例航天器；有组织的复杂系统无法用数学方程形貌，且自己具有不细目、暗昧、深入等特色，举例城市、干戈或坐蓐制造系统。这两类系统的数字孪生最大的互异是模子和建模方法，其次在系统不雅测和反馈摈弃上也有显贵的互异，致使顺利决定工程可杀青性，最终体当今不同系统数字孪生构建范式上。

　　二、数字孪生的关系办法

　　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、多圭臬、多概率的仿真过程，在捏造空间中完成映射，从而反应相对应的实体装备的全人命周期过程。

　　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、展望物理实体对象的情景，通过性能和情景优化以及提醒发送来调控物理实体对象的行径，通过关悉数字模子间的相互学习来进化自己，同期改进利益关系方在物理实体对象人命周期内的决策。

　　MBSE：基于模子的系统工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）是建模方法的面目化应用，以使建模方法支握系统需求、遐想、分析、考证和证明等当作，这些当作从办法性遐想阶段运行，握续相接到遐想开发以及自后的扫数寿命周期阶段。

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　　X 话语：是一种面向复杂系统支握 MBSE 的新一代一体化建师法实话语，X 话语深度交融现有建模话语 SysML、Modelica 的想想及形貌范例，基于龙套事件系统范例 (Discrete Event System Specification, DEVS)，杀青系统架构遐想和物理脾气的一体化建模。

　　LVC：源于军事的一种仿真时代。"实况-捏造-构造" (Live、Virtual、Constructive, LVC)，Live代表着实的东说念主操作着实的装备，Virtual代表着实的东说念主操作模拟器，Constructive代表纯数字模子，在军事仿果然应用中，普遍存在以模子教练、检会漂流、装备论证和作战实验为宗旨，将LVC三种形态的实体在统一个场景中连结运行。LVC的面目和很普遍字孪生的场景超过访佛。

　　模子：模子是对客不雅寰宇中的实体和当作进行抽象而形成的正规化的抒发。模子的抒发面目不错是标记、图形、文本、数学公式、几何结构等等。模子的作用是匡助东说念主类分析问题、治理问题、传播理念。

　　三、数字孪生的三个误区

　　连年来，数字孪生时代在航空航天、工业制造、交通物流等多个行业中被闲居应用，但各个行业对数字孪生的融会存在着互异，构建数字孪生体也存在着不同的姿色。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

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　　合计三维便是数字孪生，忽略数字孪生的要害作用是分析复杂系统，三维视景仅仅结构的可视化，使得东说念主们不雅察孪生对象时有了更直不雅的感受，然而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

　　合计在与现实寰宇双向映射的捏造场景中，东说念主们不错摈弃物理寰宇中的某些迷惑，下达提醒便是数字孪生。忽略了数字孪生的扶助决策致使自主决策的作用；

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　　03 罕有据无模子

　　在数字孪生系统中，数据存储在关系型数据库或者大数据中，数据大多以二维表的面目存在，数据间的关联关系通过主键、外键或者类SQL查询语句建立。这种面目，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关系，从而无法从数据的角度哄骗模子算法去挖掘出更深线索的逻辑关系。

　　以上几种误区制约着数字孪生关系时代和应用的发展。

　　四、数字孪生的三种形态

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　　数字孪活命在三种形态，分辩是原生、孪生和共生。

　　01 原生

　　物理寰宇中尚未出现或者未成型，需要先在数字空间中构建，从而率领物理实体或者决策的杀青。此时物理寰宇对数字寰宇的映射选用离线非及时的姿色。

　　02 孪生

　　将物理寰宇中存眷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摈弃。

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　　03 共生

　　数字实体和物理实体不分主次，相互依存，不可偏废。

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　　三种形态不存在递进关系，而是把柄不同的应用场景，使用不同的形态。举例原生形态频繁应用在复杂家具或者复杂体系的遐想；孪生形态频繁应用于园区、场站、工场的运营；共生形态是将来的一种模式，跟着元天地关系时代和应用缓缓普及，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。

　　系息争词开始于英文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。中国著名学者钱学森合计：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。从建师法果然角度来看，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。

　　体系（System of Systems, SoS）是一个由多个系统组成的异常系统；每个组成的系统都有其各自的管理、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。

　　体系固然是由系统组成，然而与系统有超过大的辞别，这些辞别都对数字孪生的杀青有着不同的影响。

　　01 结构性

　　系统的结构是组合关系，其组成身分相对固定，体系的结构是团员关系，跟着外部和里面的变化，会动态调养。

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　　02 标的性

　　系统的标的相对明确，不错通过多少许化的宗旨来进行度量，体系的标的存在一定的不细目性，需要通过巨匠定性的陶冶结合定量宗旨来协同完成，完成标的的评价维度也比拟高。

　　03 复杂性

　　系统和体系都具有复杂的特色，然而系统的复杂性频繁体当今对其物理特征的形貌方面，而体系的复杂性更多的体当今其组成身分的数目多、散播广以及身分的动态团员和行径深入方面。

　　体系和系统的互异形成对数字孪生的时代杀青有在不同的条款，如表所述。

表1 时代条款对比

Tab.1  Comparison of technical requirements

　　六、数字孪生的应用场景与纯熟度

　　数字孪生的应用场景可分为以下三种：

　　01 运营决策

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　　哄骗物联网、东说念主工智能等时代，对现有物理迷惑或者系统进行集成，体育博彩平台不错及时监控运处事态，用于城市治理、园区（场站）运维、装备故障展望和健康管理、产线排程调节、运行能耗分析等；

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　　02 优化遐想

　　哄骗CAX、建师法真、运筹学和东说念主工智能等时代，开展家具遐想、物流计议、工艺和产线遐想等服务；

　　03 培训演练

　　哄骗东说念主工智能、捏造现实等时代，将使用者带入捏造或虚实结合场景，对济急事件、工艺操作等过程进行反复培训、演练和考查。

　　不同应用场景其对时代条款存在互异，在运营决策场景，更存眷的是智能度，能否匡助东说念主们扶助决策；在遐想决策场景，存眷的是着实度，更侧重模拟着实寰宇的着实度；在培训演练场景，是但愿让受训东说念主员干预到更传神的场景，因此更侧重其拟真度。将纯熟度等第分为三级，具体如表所述。

表 2   纯熟度等第

Tab.2  Level of Maturity

　　七、“建模-相接-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、相接、度量和优化四个要道的螺旋迭代，构建一个握续的、泰斗的、详细的，具有强关联结构、动态的、可扩张的数字孪生体，不错为分析问题、治理问题提供真相源。

　　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姿色进行抒发；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始的数据、模子整合起来，形成一个形貌孪生对象的动态的数字实体；在该基础上，通过建立量化宗旨体系，结合巨匠陶冶的定性分析，并选用仿真时代和数据采集的技能，解算度量值；临了哄骗运筹学、神经汇集等技能，对孪生体模子参数进行调优。以上法度反复螺旋迭代，不错对孪生对象开展多维度、多视点的酌量，为识别规则、优化遐想、展望演化提供支握。

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、自动化的要害标记是模子。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。建模是把柄孪生对象的内在机理和外皮环境，以鸿沟元模子为范例，以架构模子视图的面目对孪生对象进行形貌和抒发，建模的产出物是一组体系模子视图，赫然、明确的界说了视图模子间的结构和关联。

　　02 相接

　　相接是将第一个要道“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关系的当作。传统的虚实映射，更多的是通过数据接口或者API接口建立起关联关系，莫得架构的管理和范例，当数据源或者环境等身分发生变化时，需要在代码层重新联调。本要道是在“建模”的扫尾上，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

　　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、校验和证明数字孪生体模子的迫切法度。度量是从多个视角，对数字孪生体进行宗旨遐想、数据生成、数据收罗以及挖掘分析的握续定量化过程。宗旨遐想是指从多个存眷点开赴遐想关联宗旨和团员的宗旨体系；数据生成是指仿真引擎调节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；宗旨解算是将采集的数据按照宗旨算法解算的过程。

　　04 优化

　　优化是遐想标的函数，哄骗运筹学、神经汇集等算法模子，通过调养“建模”中的模子参数，从而取得最优或者最稳当扫尾的过程。优化频繁选用定性和定量结合的姿色，明确的问题用细宗旨规矩算法，举例线性计议、动态计议等，不细宗旨问题选用神经汇集扶助的姿色开展。

　　05 迭代

　　以上四个要道，反复螺旋迭代，宗旨是构建一个握续的、泰斗的、可提供泰斗真相源的数字孪生体过甚运行环境。

　　八、典型应用场景

　　01 场景一：供应链优化调节-产运销一体化调运优化数字孪生

　　某大型能源企业，濒临能源供应安全、保电保供等践诺禁止，以及运输汇蚁合构粗略抗风险才智较差、东说念主力资源老本较高、供应链业务应用模式与践诺业务需求匹配度不高、供应链运行效果低等诸多问题，需要对其产运销一体化调运系统构建一个数字孪生系统，使企业杀青数字化转型、及时化调节，提高供应链汇集举座竞争力，提高坐蓐效果、运营效果和安全性。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、相接、度量和优化构建其数字孪生体，并优化决策。

　　数字孪生体由煤矿、转运点、货运列车、铁道路、率领调节中心、口岸、船舶、电厂、煤家具等组成，每个实体把柄其特征遐想了参数和行径历程，并建立模子及各个实体间的关系，以及结合企业的运输汇蚁合构、业务流转关系等特征，完成扫数这个词产运销一体化调运优化业务模子及场景模子的配置，关系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相接，在仿真系统中通过哄骗混杂线性计合算法，基于效益最高的标的进行仿真和宗旨的打算；在优化要道，通过东说念主在回路的姿色调养由于算法的问题导致不可践诺的部分，进行决策调优。通过反复迭代，最终形成可下发给各个要道的调节任务。经过优化的决策与同比决策经过数学测算，可提高举座利润率。

图 3  铁路运输汇集模子

Fig3.  Model of Rail Transportation Network

　　02 场景二：复杂装备遐想-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、管说念、水箱等、电机、开关、继电器等迷惑，是一个触及范围广、限制深广、系统复杂、时代密集的迫切系统，顺利关系舰艇遂行任务的获胜与否。如何合理遐想关系参数，是舰艇能源安装酌量的主要问题。

　　（1）建模

　　舰艇能源安装模子组件包括可视化组件和迷惑模子组件，可视化组件是模子无关的，迷惑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，迷惑模子组件是一个多专科鸿沟的复合模子，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、管说念、水箱等）、摈弃组件（摈弃器，与门，或门等）、电气模子（电机、开关、继电器等）。

　　（2）相接

　　需要完成的服务东要包括：组件拖放和连线设立。拖放组件在系统中添加面前模子，组件之间连线形貌了两个组件之间的变量传递关系。

　　（3）度量

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　　舰艇能源安装模子运行过程中，各迷惑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迷惑的运处事态，同期系统也会给出迷惑的运行趋势，扶助遐想东说念主员对迷惑参数进行趋势分析。如下图所示。

图 4  舰艇能源安装模子可视化界面

注：因数据明锐，上图趋势数据为恒定值。

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

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　　（4）优化

　　舰艇能源安装的优化问题触及多个迷惑、多个子系统的参数寻优，系统提供了G-N法、L-M法、线性计议、动态计议、神经汇集算法等多种优化算法，用户可通过组态裁剪器，不断优化调养模子参数，仿真引擎装载各迷惑模子参数，在打算步长内，践诺优化算法并进行数据交换，取得的最优或者最稳当的扫余数据会经过预处理后推上前端。

　　03 场景三：济急模拟演练-化工场解救演练数字孪生

　　针对某石油化工单元预警展望才智弱、事故成因分析难、济急处置效果低等问题，构建模拟仿真演练数字孪生系统，为迷惑预警展望、济急处置演练提供应用场景，通过构建仿真模子、伙同装备数据、仿真处置历程，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 

　　在数字孪生系统成立中，以安全事故为重心存眷对象，建立工场环境、迷惑外不雅、物理机理、历程行径、处置步调等参数化、全身分的模子；及时接入储罐、设施等运行数据，杀青物理实体与捏造实体的映射；通过东说念主在回路的姿色在数字空间中驱动模子运行和展现，并对要害宗旨进行评估和分析；从而扶助开展安全事故济急预案优化，增强东说念主员济急处置才智，提高石化厂留心预警、特情处置的举座水平。

　　九、数字孪生家具先容

　　上述构建多样数字孪生体所使用的仿真器用为华如科技的“TSIM装备数字孪生”系列家具，家具以自主可控的复杂家具息争建模话语“X话语”和基于模子的系统工程（MBSE）为率领，围绕复杂装备的遐想、制造、测试和运营全人命周期，提供体系架构建模、装备捏造样机、运营计议仿真、半什物仿真、装备捏造实训等才智。家具在治理复杂装备的架构遐想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，是首个将龙套事件仿真、建模话语、智能体建模等时代用于工业制造的工程化家具北京赛车在线，皆备自主可控，仿真引擎和散播式中间件的性能处于海出门发点地位。面前家具在核能源、探月工程和计策装备研制中起到国产替代的作用，可为国度数字化转型升级、智能制造等发展计策提供时代支握。

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