作家：华如商榷院 陈敏杰 张柯 排列五棋牌

　　一、什么是数字孪生？

　　数字孪生办法佛过大致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。在建效法真本事规模也曾存在好多短板和“卡脖子”的情况下，对数字孪生的商榷应建立在建效法真本事基础上递次渐进。辩论到数字孪生本事对建效法果真拓展和激动，以及引出的新的问题，也有必要开展真切商榷，在撤职科学客不雅划定的前提下，争取齐备少走弯路和进步式发展。

　　数字孪生应具有如下三个基本特色，所针对的对象或过程发轫具巧合间上的宏不雅抓续性，省略不雅测和获取系统气象数据，况且具有在线或及时烦躁、治愈的必要和可能。在这个前提下，通过构建数字孪生体并在其上开展商榷和分析，最终反馈或作用于物理寰宇，是数字孪生办法或关联本事的前提和责任任务。除此除外的数字化本事严格道理来讲齐不行称为数字孪生，举例筹算机扶助工程接收数字化技能对系统结构、电磁、热的分析，系统仿真中的弹谈仿真和截至系统仿真，作战回击的筹算机兵棋或筹算机生成军力等，这些数字化方法齐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纠正集成。

　　进一步从数字孪生的商榷对象来看，至少不错分为浅易系统和有组织的复杂系统（或称为“体系”），所谓浅易系统是系统的机理是细则的、不错用数学方程加以相貌的，举例航天器；有组织的复杂系统无法用数学方程相貌，且自己具有不细则、恶浊、走漏等特色，举例城市、搏斗或坐褥制造系统。这两类系统的数字孪生最大的相反是模子和建模方法，其次在系统不雅测和反馈截至上也有显耀的相反，致使平直决定工程可齐备性，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、多表率、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气象，通过性能和气象优化以及提醒发送来调控物理实体对象的手脚，通过关联数字模子间的互相学习来进化自己，同期改进利益关联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）是建模方法的形状化应用，以使建模方法支抓系统需求、想象、分析、考证和证明等行径，这些行径从办法性想象阶段启动，抓续贯串到想象开发以及自后的通盘寿命周期阶段。

　　X 谈话：是一种面向复杂系统支抓 MBSE 的新一代一体化建效法真谈话，X 谈话深度交融现有建模谈话 SysML、Modelica 的念念想及相貌表率，基于闹翻事件系统表率 (Discrete Event System Specification, DEVS)，齐备系统架构想象和物理本性的一体化建模。

　　LVC：源于军事的一种仿真本事。"实况-捏造-构造" (Live、Virtual、Constructive, LVC)，Live代表真确的东谈主操作真确的装备，Virtual代表真确的东谈主操作模拟器，Constructive代表纯数字模子，在军事仿果真应用中，普遍存在以模子西宾、检修坚贞、装备论证和作战实验为方针，将LVC三种形态的实体在并吞个场景中聚首运行。LVC的形状和很大批字孪生的场景超越访佛。

　　模子：模子是对客不雅寰宇中的实体和行径进行抽象而形成的正规化的抒发。模子的抒发形状不错是标记、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、贬攻讦题、传播理念。

　　三、数字孪生的三个误区

　　频年来，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畴昔应用，但各个行业对数字孪生的通晓存在着相反，构建数字孪生体也存在着不同的样式。针对数字孪生普遍存在以下几个误区：

　　01 三维等于数字孪生

　　觉得三维等于数字孪生，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，然则与关于其内在机理的挖掘和推演还有很大距离；

　　02 以虚控实等于数字孪生

　　觉得在与实际寰宇双向映射的捏造场景中，东谈主们不错截至物理寰宇中的某些开采，下达提醒等于数字孪生。忽略了数字孪生的扶助决策致使自主决策的作用；

　　03 稀有据无模子

　　在数字孪生系统中，数据存储在关联型数据库或者大数据中，数据大多以二维表的形状存在，数据间的关联关联通过主键、外键或者类SQL查询语句建立。这种形状，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联，从而无法从数据的角度应用模子算法去挖掘出更深档次的逻辑关联。

　　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

　　数字孪生计在三种形态，阔别是原生、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，从而携带物理实体或者有策划的齐备。此时物理寰宇对数字寰宇的映射接收离线非及时的样式。

　　02 孪生

　　将物理寰宇中禁止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，互相依存，不可偏废。

　　三种形态不存在递进关联，而是左证不同的应用场景，使用不同的形态。举例原生形态往往应用在复杂家具或者复杂体系的想象；孪生形态往往应用于园区、场站、工场的运营；共生形态是异日的一种模式，跟着元天地关联本事和应用逐渐普及，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。

　　系融合词开头于英文system的音译，即多少部分互相有计划、互相作用，形成的具有某些功能的举座。中国著名学者钱学森觉得：系统是由互相作用互相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。从建效法果真角度来看，系统往往由固定结构的系统或者分系统，为了完成特定地方而组合组成的。

　　体系（System of Systems, SoS）是一个由多个系统组成的额外系统；每个组成的系统齐有其各自的治理、地方和资源，同期这些系统在体系中进行合作以达成体系的地方。

　　体系固然是由系统组成，然则与系统有超越大的远离，这些远离齐对数字孪生的齐备有着不同的影响。

　　01 结构性

　　系统的结构是组合关联，其组成成分相对固定，体系的结构是团聚关联，跟着外部和里面的变化，会动态治愈。

　　02 地方性

　　系统的地方相对明确，不错通过多极少化的野心来进行度量，体系的地方存在一定的不细则性，需要通过民众定性的教会结合定量野心来协同完成，完成地方的评价维度也相比高。

　　03 复杂性

　　系统和体系齐具有复杂的特色，然则系统的复杂性往往体当今对其物理特征的相貌方面，而体系的复杂性更多的体当今其组成成分的数目多、散布广以及成分的动态团聚和手脚走漏方面。

　　体系和系统的相反酿成对数字孪生的本事齐备有在不同的条件，如表所述。

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表1 本事条件对比

Tab.1  Comparison of technical requirements

　　六、数字孪生的应用场景与熟悉度

　　数字孪生的应用场景可分为以下三种：

　　01 运营决策

　　应用物联网、东谈主工智能等本事，对现有物理开采或者系统进行集成，不错及时监控运业绩态，用于城市治理、园区（场站）运维、装备故障展望和健康治理、产线排程袭击、运行能耗分析等；

　　02 优化想象

　　应用CAX、建效法真、运筹学和东谈主工智能等本事，开展家具想象、物流策划、工艺和产线想象等服务；

　　03 培训演练

　　应用东谈主工智能、捏造实际等本事，将使用者带入捏造或虚实结合场景，对救急事件、工艺操作等过程进行反复培训、演练和阅览。

　　不同应用场景其对本事条件存在相反，在运营决策场景，更禁止的是智能度，能否匡助东谈主们扶助决策；在想象决策场景，禁止的是真确度，更侧重模拟真确寰宇的真确度；在培训演练场景，是但愿让受训东谈主员插足到更传神的场景，因此更侧重其拟真度。将熟悉度等第分为三级，具体如表所述。

表 2   熟悉度等第

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、度量和优化四个重要的螺旋迭代，构建一个抓续的、泰斗的、玄虚的，具有强关联结构、动态的、可膨胀的数字孪生体，不错为分析问题、贬攻讦题提供真相源。

　　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样式进行抒发；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头的数据、模子整合起来，形成一个相貌孪生对象的动态的数字实体；在该基础上，通过建立量化野心体系，结合民众教会的定性分析，并接收仿真本事和数据采集的技能，解算度量值；终末应用运筹学、神经集聚等技能，对孪生体模子参数进行调优。以上治安反复螺旋迭代，不错对孪生对象开展多维度、多视点的商榷，为识别划定、优化想象、展望演化提供守旧。

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、自动化的重要象征是模子。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。建模是左证孪生对象的内在机理和外皮环境，以规模元模子为表率，以架构模子视图的形状对孪生对象进行相貌和抒发，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

　　贯串是将第一个重要“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联的行径。传统的虚实映射，更多的是通过数据接口或者API接口建立起关联关联，莫得架构的不休和表率，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。本重要是在“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热切治安。度量是从多个视角，对数字孪生体进行野心想象、数据生成、数据采集以及挖掘分析的抓续定量化过程。野心想象是指从多个禁止点启航想象关联野心和团聚的野心体系；数据生成是指仿真引擎袭击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；野心解算是将采集的数据按照野心算法解算的过程。

　　04 优化

　　优化是想象地方函数，应用运筹学、神经集聚等算法模子，通过治愈“建模”中的模子参数，从而获取最优或者最顺应扫尾的过程。优化往往接收定性和定量结合的样式，明确的问题用细则的轨则算法，举例线性策划、动态策划等，不细则的问题接收神经集聚扶助的样式开展。

　　05 迭代

　　以上四个重要，反复螺旋迭代，方针是构建一个抓续的、泰斗的、可提供泰斗真相源的数字孪生体过火运行环境。

据美联社报道，飓风中心在一份报告中称，截至19日凌晨2点，“希拉里”飓风在位于墨西哥到下加利福尼亚半岛南端西南偏西约260英里处。从本周末开始，这场风暴可能会在美国西南部造成“危及生命和潜在灾难性的洪水”。

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　　八、典型应用场景

　　01 场景一：供应链优化袭击-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、保电保供等本色艰辛，以及运载集聚结构浅易抗风险身手较差、东谈主力资源老本较高、供应链业务应用模式与本色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，使企业齐备数字化转型、及时化袭击，提高供应链集聚举座竞争力，提高坐褥效果、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、贯串、度量和优化构建其数字孪生体，并优化有策划。

　　数字孪生体由煤矿、转运点、货运列车、铁蹊径、携带袭击中心、口岸、船舶、电厂、煤家具等组成，每个实体左证其特征想象了参数和手脚历程，并建立模子及各个实体间的关联，以及结合企业的运载集聚结构、业务流转关联等特征，完成通盘这个词产运销一体化调运优化业务模子及场景模子的成立，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，在仿真系统中通过应用夹杂线性计合算法，基于效益最高的地方进行仿真和野心的筹算；在优化重要，通过东谈主在回路的样式治愈由于算法的问题导致不可实践的部分，进行有策划调优。通过反复迭代，最终形成可下发给各个重要的袭击任务。经过优化的有策划与同比有策划经过数学测算，可提高举座利润率。

图 3  铁路运载集聚模子

Fig3.  Model of Rail Transportation Network

　　02 场景二：复杂装备想象-某型舰艇能源安设数字孪生

　　某型舰艇能源安设主要包括泵、阀、换热器、管谈、水箱等、电机、开关、继电器等开采，是一个触及范围广、范围遍及、系统复杂、本事密集的热切系统，平直关联舰艇遂行任务的得胜与否。若何合逸想象关联参数，是舰艇能源安设商榷的主要问题。

　　（1）建模

　　舰艇能源安设模子组件包括可视化组件和开采模子组件，可视化组件是模子无关的，开采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，开采模子组件是一个多专科规模的复合模子，以能源安设为例，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

　　需要完成的服务东要包括：组件拖放和连线竖立。拖放组件在系统中添加刻下模子，组件之间连线相貌了两个组件之间的变量传递关联。

　　（3）度量

　　舰艇能源安设模子运行过程中，各开采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开采的运业绩态，同期系统也会给出开采的运行趋势，扶助想象东谈主员对开采参数进行趋势分析。如下图所示。

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图 4  舰艇能源安设模子可视化界面

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 

　　（4）优化

　　舰艇能源安设的优化问题触及多个开采、多个子系统的参数寻优，系统提供了G-N法、L-M法、线性策划、动态策划、神经集聚算法等多种优化算法，用户可通过组态裁剪器，不绝优化治愈模子参数，仿真引擎装载各开采模子参数，在筹算步长内，实践优化算法并进行数据交换，获取的最优或者最顺应的扫余数据会经过预处理后推上前端。

　　03 场景三：救急模拟演练-化工场调停演练数字孪生

　　针对某石油化工单元预警展望身手弱、事故成因分析难、救急处置效果低等问题，构建模拟仿真演练数字孪生系统，为开采预警展望、救急处置演练提供应用场景，通过构建仿真模子、结合装备数据、仿真处置历程，从而完成石油化厂站的救急演练和培训，如下图所示。

图 5化工场救急演练仿真模子

Fig5.  Model of Chemical Plant Emergency Drill 

　　在数字孪生系统竖立中，以安全事故为要点禁止对象，建立工场环境、开采外不雅、物理机理、历程手脚、处置措施等参数化、全成分的模子；及时接入储罐、设施等运行数据，齐备物理实体与捏造实体的映射；通过东谈主在回路的样式在数字空间中驱动模子运行和展现，并对重要野心进行评估和分析；从而扶助开展安全事故救急预案优化，增强东谈主员救急处跻身手，提高石化厂夺目预警、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具为华如科技的“TSIM装备数字孪生”系列家具，家具以自主可控的复杂家具融合建模谈话“X谈话”和基于模子的系统工程（MBSE）为携带，围绕复杂装备的想象、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、运营策划仿真、半什物仿真、装备捏造实训等身手。家具在贬责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、建模谈话、智能体建模等本事用于工业制造的工程化家具排列五棋牌，裕如自主可控，仿真引擎和散布式中间件的性能处于国外发轫地位。目下家具在核能源、探月工程和策略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、智能制造等发展策略提供本事守旧。