人類平均每250個新生兒中就會出現一對同卵雙胞胎，相似的基因、生活環境和頻繁的日常交流或許會潛移默化地同化著雙生兒的處事方法和思考模式。雙胞胎之間的息息相通也常常被稱為“心靈感應”。

　　人們也將這種生理學的孿生理念融入到工業的發展中。通過實驗室中的物理孿生體，基于實體生命周期中的基本信息，進行“模擬”獲得早期預警和預測。人們將之稱為“物理孿生”。例如，1969年，美國NASA在阿波羅登月項目中制造了兩個完全相同的實驗室/實體空間飛行器。

　　如果對實體建立一個數字模型，通過仿真模擬解決實際問題，便涉及到了數字孿生的領域。“數字孿生是數字模型共有特性和物理實體獨有個性實時融合的全生命周期共同體。”中國飛機強度研究所所長王彬文在近日舉辦的第八屆中國航空學會青年科技論壇上對數字孿生的內涵進行了闡述。

　　將虛擬與現實進行無縫對接

　　“2003年，密歇根大學邁克爾·格里夫斯博士在產品生命周期管理課程中最早提出數字孿生的概念，覆蓋了包括從設計、制造、試驗和服務在內的完整的產品全生命周期。”王彬文告訴科技日報記者，近年來，各行業也進行了大量的實踐探索，不斷豐富著數字孿生的形態和概念。一言以蔽之，數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。

　　以數字孿生在飛機監測中的應用舉例，如果想要對一架飛機進行監測，則需利用飛機的各項真實數據建立一個仿真飛機模型，該模型可通過傳感器實現與飛機真實狀態完全同步。如此一來，每次執行飛行任務時，便可根據現有情況和過往歷史數據，分析評估飛機的各項指標是否正常，是否能夠承受下次的任務載荷等，以便人工及時進行檢修等相關工作。

　　短短十數年，數字孿生引起了企業、研究機構、科研人員等的廣泛關注。必應搜索“digital twin”詞條信息數量達57萬，百度搜索“數字孿生”信息達261萬條，其中近兩年的搜索量占比為62%。數字孿生之“熱”可見一斑。

　　“熱”自然有“熱”的道理。數字孿生體相比于前文提及的物理孿生，不受地域分布、個體數量和時間環境的限制，可進一步豐富工業物聯網的技術體系，為智能制造奠定基礎。

　　美國通用公司為每個引擎、每個渦輪、每臺核磁共振，均創造一個數字孿生體，通過這些仿真的數字化模型，在虛擬空間進行調試、試驗，即可知道如何讓機器效率達到最高。空客集團采用基于數字孿生的A350XWB總裝生產線“智能空間”解決方案，一方面使制造流程完全可視化，工藝裝備及其在總裝廠內的分布情況一目了然，另一方面通過數字孿生模型預測生產中可能遇到的瓶頸，提前解決問題，不斷提高總裝效率。

　　國內也開展了數字孿生的初步探索與實踐，以強度試驗為例，圍繞驗證試驗的全流程，從模型構建、虛擬試驗、增強現實、數據挖掘等方面進行了實踐。除此之外，國內在海洋工程、智慧城市、智能制造等多個領域也在廣泛探索。

　　應用廣泛但仍需補足短板

　　數字孿生引入國內僅僅幾年時間，距離廣泛應用還有很長的路要走。“目前數字孿生技術還面臨諸多難題，可歸納為三類。”王彬文認為，高保真度的仿真建模是構建數字孿生體系的關鍵，數字孿生作為物理實體在數字空間的超寫實動態模型，產品虛擬模型的高精度性、多物理場建模、高保真度響應模擬等是首要解決的技術難題。

　　王彬文指出，產品狀態感知方面，由于數字孿生技術的應用以海量數據為基礎，并且是基于全要素、全生命周期的數據，而有關這些數據所涉及的先進傳感器技術、自適應感知、精確控制與執行技術等難題急需攻關。

　　“實時監測與健康預測技術也尚待完善。”王彬文強調，實時和預測是數字孿生的核心要素，一方面物理產品的數據動態實時反映在數字孿生體系中，另一方面，數字孿生基于感知的大數據進行分析決策，進而控制物理產品，而其中離不開相應的高實時性數據交互、高置信度仿真預測、超級計算能力等技術能力。此外，新的設計檢驗方法仍需進一步探索，使物理模式的實驗結果更準確、更接近真實的工況，為數字孿生體的推演提供可靠的數據支撐。

　　“不同專業、不同方向、不同領域均能細化、演化出屬于自己行業的數字孿生核心技術。”王彬文指出，除此之外，作為一種嚴謹的數字映射系統，數字孿生技術在眾多行業中具有廣泛普適性。

　　未來，數字孿生也可結合物聯網的數據采集、大數據處理和人工智能建模分析，實現對過去發生問題的診斷、當前狀態的評估以及未來趨勢的預測，并給予分析結果，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持。

　　“應充分認識到，數字孿生技術所涉及的理念、方法具有超前性，亟須各個層級尤其是青年科技者的廣泛參與，應盡快建立起規范化、普適性的定義和相關標準。”王彬文指出。此外，數字孿生是數字化發展的高級階段，應結合企業數字化發展基礎，與數字化、信息化發展歷程融合推進。

　　“因此，實現其廣泛應用和系統完善是一個長期過程，不可能一蹴而就。”王彬文表示，美國空軍研究實驗室計劃2025年才能在交付飛行器的同時交付其對應的數字孿生體，美國《航空周報》預測到2035年，當航空公司接收一架飛機的時候，才能伴隨著一架高度詳細的數字模型。由此可見，數字孿生的發展道路漫長且須上下求索。

　　相關鏈接

　　在虛擬空間中再造一座城

　　數字孿生城市是數字孿生技術在城市層面的廣泛應用，通過構建城市物理世界、網絡虛擬空間的一一對應、相互映射、協同交互的復雜巨系統，在網絡空間再造一個與之匹配、對應的孿生城市，實現城市全要素數字化和虛擬化、城市全狀態實時化和可視化、城市管理決策協同化和智能化，形成物理維度上的實體世界和信息維度上的虛擬世界同生共存、虛實交融的城市發展格局。

　　虛擬空間上構建的城市映像疊加在城市物理空間上，將極大地改變城市面貌，重塑城市基礎設施，形成孿生互動的城市發展新形態;借助更泛在、普惠的感知，更快速的網絡，更智能的計算，一種更加智慧化的新型城市將得以創建。不久后的將來，以數字孿生城市為代表的新型智慧城市建設，將讓城市生活變得更美好。