一、什么是数字孪生

数字孪生（Digital Twin）也被称为数字映射、数字镜像。官方对其的定义非常复杂，是充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。简单说就是在数字空间创造一个设备或一个系统的克隆体（数字孪生体），来对该设备或系统进行动态仿真。也就是说，数字孪生体是会“动”的，但不是随便乱“动”的。它的“动”是基于本体的物理原型，还有本体上面各类传感器反馈的数据及本体运行的历史数据。

二、数字孪生与虚拟现实的区别

说到这里，大家可能会觉得这不就是火了好几年的虚拟现实技术吗？他们有什么区别？首先，虚拟现实是一种能够通过虚拟环境模拟真实场景和交互的技术，通过头戴式显示器和手柄等设备，用户可以沉浸在虚拟世界中。而数字孪生技术则是通过数字模型和传感器数据，实现物理系统的数字化仿真，以实现物理系统的预测、优化和控制。其次，应用场景和目的不同。虚拟现实主要应用于娱乐、教育和培训等领域，例如游戏、虚拟旅游、虚拟化身等；而数字孪生技术主要应用于工业、制造、城市规划等领域，例如产品设计、生产优化、城市交通规划等。可见，数字孪生与虚拟现实是即相似又有区别的两个技术。随着目前技术的逐步发展，虚拟现实技术正与数字孪生技术进行深度融合。

三、数字孪生技术发展历程

有据可查的数字孪生概念提出者是美国空军研究实验室（AFRL，Air Force Research Laboratory）。2011年3月，隶属于美国空军实验室结构力学部门的帕米拉.科布林（Pamela A. Kobryn）和埃里克.蒂格尔(Eric J. Tuegel)首次在报告“基于状态的维护+结构完整性&战斗机机体数字孪生”（Condition-based Maintenance Plus Structural Integrity (CBM+SI) & the Airframe Digital Twin）中提到了数字孪生的概念。

美国空军研究实验室创新性地使用数字孪生概念实现了战斗机维护工作的数字化。同时，美国通用电气公司（GE）也跟美国空军一样，意识到了数字孪生所具备的实用意义，并借助为美国国防部开展F-35联合攻击机解决方案设计的机会探索出数字孪生体系的价值。

后来，德国西门子公司在工业信息化领域也跟近了数字孪生建设。2015年左右，国内多家科研机构和高科技企业纷纷开启了数字孪生相关课题研究。从此数字孪生概念开始风靡互联网和各行各业，直至今日。

**四、**数字孪生技术架构

数字孪生通过各种传感器（如，摄像头、PLC、温度传感器、气体传感器等），采集人、物、环境等现实世界数据，通过物联网技术传输实时状态数据，借助数据标记与管理，构建底层数据池。并通过对现实世界的建模，构建一个与现实世界基本一致的数字世界，再通过仿真等技术模拟现实世界的各类规律，实现状态预测、问题诊断等功能，反馈现实世界决策。

数据层，主要负责实时采集物理实体的各种数据，如温度、压力、振动等，并将这些数据传输到数字模型中，并对各类数据进行分类标识、分析等操作，最终形成可供数字孪生体表现的数字信息。

建模层，主要基于采集到的数据构建数字孪生体的数字模型。该类模型可以是展示现实环境的几何模型，也可以是基于物理规律的物理模型，也可以是基于数据驱动、知识图谱的机器学习类模型。程序员可以通过对数字模型的优化，提高数字孪生体的效率、可靠性和安全性。

功能层，主要通过各类模型结果来模拟数字孪生体的运转状态、性能和行为指令。同时，在虚拟空间对数字孪生体各类运行数据、状态数据、性能数据开展分析诊断，预测其发展态势，为现实世界的物理实体提供控制优化和决策信息。

应用层，主要是通过数字大屏、各类应用程序等，将功能层所提供的各项结果进行集中展示，方便在各业务领域进行应用。

五、数字孪生技术的应用

目前，数字孪生技术的应用可谓遍地开花，已为智能制造、航空航天、智慧医疗、智慧电厂、智慧水厂、智慧城市、轨道交通、区域应急、智慧园区、智能监所、数字流域、智慧高铁、机场管理、矿厂、智慧文旅等行业赋能，带动了相关行业的经济，助推企业向智能化、信息化快速转变。

1.制造业领域

制造业是数字孪生的主要战场，在产品设计研发、生产、运维全生命周期都能发挥其重要作用。通过数字孪生技术，不仅可对产品运行中的各类数据进行连续采集及智能分析，还可预测产品维修、保养的最佳时间，有效提升了产品的安全性和可用性，降低产品研发和制造过程中的风险。例如，美国通用公司的工程师为公司生产的引擎、涡轮、核磁共振等产品均创造数字孪生体，借助拟真的数字化模型在虚拟空间中开展实验论证和设备调试，让产品能达到最佳的运行效果。

2.工业生产领域

在工业生产领域，数字孪生技术可以将实体工厂转化为数字模型，实时监测各生产工艺流程的运营状态，及时发现问题并帮助企业搜集工艺数据，以便为工艺优化提供数据支撑，达到改进创新、提质增效的目的。

3.基建领域

数字孪生的另一个重要应用领域是基建工程。因此，对于中国这个“基建狂魔”来说，引入数字孪生技术具有更加实用和重大的意义。2018年10月创下多项世界第一的超级工程“港珠澳大桥”正式通车，不仅打通了粤港澳地区的空间阻隔，也推动了三地未来的融合发展，为我国经济发展奠定了良好的基础。为了管好用好大桥，使其真正服务于粤港澳大湾区的建设，港珠澳大桥管理局于2019年年底，联合香港理工大学、香港大学、澳门大学、中交四航工程研究院有限公司等机构，成立了粤港澳大湾区交通建设智能维养与安全运营工程技术研究中心，使用数字孪生技术构建虚拟珠港澳大桥，通过无人机、无人艇、机器人等多种设备采集桥体、水流、空气等数据，开展海量数据模型建立与逻辑关系分析研究，不断测试、验证，以完成大桥的智能化运维工作。

4.能源领域

在能源领域，数字孪生技术可以帮助企业进行能源的管理和优化。企业可以建立基于数字孪生的能源网格数字化模型，实时监测能源的产生、转换和使用，以优化能源生产和利用效率，减低能源成本和环境污染。例如在电力领域，数字孪生可以提供一个虚拟的发电厂模型，通过模拟不同的发电设备、能源资源和电网之间的交互作用，优化能源产量和能源调度，提高发电效率。通过数字孪生技术，可以实时监测发电设备的运行状态，预测设备的维护需求，提前进行设备维护，避免意外故障和减少停机时间，降低维护成本。

而在油气领域，数字孪生技术更是能做到地上、地下一盘棋，更有效地从勘探开发、炼油化工、油气销售、贸易金融、业务培训等多方面实现企业的数字化转型。如，法国道达尔公司将数字孪生技术用于缩短、优化项目调试周期，美国艾默生公司将数字孪生技术应用于海上生产环境重构，荷兰壳牌公司应用数字孪生技术开展资产使用寿命优化，挪威Aker BP公司采用数字孪生技术建设“少人化作业平台”等。而我国相关企业也通过数字孪生技术在油气井施工效果质量提升和优化、人工举升校准、地下管网运行优化、设备资产运维等领域进行探索。

5.智慧城市规划及运行领域

数字孪生技术可以帮助规划师更好地理解城市的物理结构、交通流量和人口分布。建立城市的三维模型，包括建筑物、道路、公共设施和自然环境等元素，并在模型中加入交通模拟和人口分布模型。这些模型可以帮助规划师模拟城市的交通流量、拥堵情况和人口密度等因素，以更好地了解城市的运作方式和瓶颈问题。除此之外，数字孪生技术还可以帮助交通运输企业进行优化管理，模拟出不同运输方案，预测货物运输的时间和成本，以便更好地管理物流供应链和减少成本。

六、数字孪生技术展望

目前，我国数字孪生行业仍处在发展阶段，还存在厂商商业模式不足、业内标准不统一、高性能计算及显示技术支撑不够、数据处理及解释能力较弱、安全可靠性低、易受攻击等问题。

随着近年来ChatGPT的火爆，未来数字孪生技术将与更多先进信息化技术进行融合，主要攻关方向应包括引入超算及强人工智能等技术来降低海量数据信息动态更新成本，引入混合现实、全息投影等技术来提升可视交互操作效率和引入空间数据感知、数据映射关系分析等技术来拓展实际应用需求场景。借助以上方向的研究，必将大幅扩展数字孪生技术的应用边界、提升数字孪生技术的处理效率。未来数字孪生技术将不仅能提升城市在城镇规划设计、市政智能管控等领域的效率，还能为城市管理者提供更加智能的辅助分析、决策基础，更能在工业智能制造、行业软件开发、高精尖领域科研攻关甚至外太空探索等领域发挥重大建设性作用，为我国各产业、研究机构的高质量发展提供技术支撑，为我国的伟大民族复兴提供不竭的创新动能。

来源: 中国石油大庆油田公司