老于笔记·02.28

欲速则不达，太急，只会物极必反。一切都是沉淀积累的过程。

正文

元宇宙的本质是数字延伸，或者说是下一代的互联网形态。如果说元宇宙终极形态是100分，现在科技水平能做到1分。

所以目前，元宇宙有两部分：傻瓜和骗子。我能想到的最接近元宇宙并着陆的技术是数字双胞胎。

1

数字孪生（Digital Twin）虚拟实体是基于历史数据和实时数据以数字形式创建物理实体。随着3D可视化、大数据、传感器、人工智能等技术的更新迭代，数字防产业等领域不断深化可视化、大数据、传感器、人工智能等技术的更新迭代。

说到数字双胞胎的创始人，你可能会想到个人——密西根大学Michael Grieves教授。

2002年Michael Grieves在为PLM(产品生命周期管理)中心成立而向工业界发表演讲而制作的幻灯片中，首次提出了PLM概念模型、现实空间、虚拟空间、从现实空间到虚拟空间的数据流、从虚拟空间到现实空间的信息流以及虚拟子空间的表达Michael Grieves这已经具备了数字孪生的所有元素，如下图所示。

2003年Michael Grieves在讲授PLM第一次使用课程“Digital Twin(数字孪生)；这一概念也被称为物理产品等价的虚拟数字表达，但当时并没有得到业界的积极响应。Michael Grieves教授没想到，十多年后，数字孪生会受到各界人士的广泛追捧。

2012年NASA数字双胞胎概念描述：数字双胞胎是指充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多规模的模拟过程，作为虚拟空间中物理产品的镜像，反映了物理物理产品的整个生命周期过程

2014年Michael Grieves撰写了Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication（数字孪生:通过虚拟工厂复制实现卓越制造）,至此，正式提出了数字孪生概念。

2

数字双胞胎是指在信息空间构建一个虚拟系统，可以映射物理设备，它们之间的联系不是单向和静态的，而是在整个产品的生命周期中。

数字双胞胎概念提出后，很快应用于美国国防部航空航天飞机的维护和保障。随着科学技术的快速发展和各种人工智能需求的提高，越来越多的人逐渐研究和使用了数字双胞胎技术。德国西门子、法国达索和美国PTC知名工业软件公司在其对外宣传中引用了Digital Twin而且还在概念、内涵、构建、技术许多其他方面的深入研究和扩展。到目前为止，数字双胞胎还没有得到业界公认的标准定义，其概念和相关技术仍在发展和演变中。以下是数字双胞胎概念从不同角度和方向的定义：

(1)官方定义

数字双胞胎是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，整合多学科、多物理量、多规模、多概率的模拟过程，在虚拟空间中完成映射，反映相应物理设备的整个生命周期过程。数字双胞胎是一个超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、相互依赖的设备系统。

(2)标准化组织的定义

数字双胞胎是具有数据连接的特定物理实体或过程的数字表达。数据连接可以保证物理状态和虚拟状态之间的同速收敛，并提供物理实体或过程的整个生命周期的集成视图，有助于优化整体性能。

(3)学术界的定义

数字双胞胎是通过历史数据、实时数据和算法模型模拟、验证、预测和控制物理实体整个生命周期过程的技术手段。

(4)企业定义

数字孪生是资产和流程的软件标识，用于理解、预测和优化业绩，从而提高企业的业务业绩。

通过对数字双胞胎的多角度定义，可以发现数字双胞胎的几个关键词数据、实时、传输、模拟、生命周期和双向。一般来说，数字孪生是创建空间实体的数字版克隆体，也可以称为数字孪生体。它最大的特点是可以接收实体对象的历史和实时数据，也可以通过计算、模拟和分析反向控制实体对象的动作。也就是说，这个数字孪生体是聪明和动的。

3

物理实体与数字孪生体的关系如下：

(1)映射关系

从映射关系来看，物理实体和数字孪生体一实一虚，两者相互对应。

(2)出生顺序

从诞生顺序来看，物理实体和数字双胞胎首先有物理实体，然后是数字双胞胎。物理实体是数字双胞胎的基础，是其基础数据的来源，数字双胞胎是物理实体的进一步展示、放大和控制。两者的整合正在促进现代新产业的发展。

（3）重要性

从重要性的角度来看，物理实体和数字双胞胎不能完成实体工业的必要过程，不能生产出国计算民生所需的物质基础；没有数字双胞胎，实体工业的智能演绎和控制就无法实现，阻碍了新产业的转型升级。因此，为了更好地促进社会的发展，我们必须坚持虚拟与现实相结合的政策。

（4）创新性

从创新的角度来看，物理实体和数字双胞胎的结合给了产品研发、调试、生产等环节更多的选择，节省了更多的成本投资，也为更多的新技术、新模式、新产业提供了可能性。

从数字孪生的定义可以看出，数字孪生具有互操作性、可扩展性、实时性、保真性和闭环性。

(1)互操作性

物理实体和数字双胞胎可以双向映射、动态交互和实时连接。数字双胞胎可以映射和反馈处理后的多种数字模型，并具有数字模型转换和控制的能力。

(2)可扩展性

数字双胞胎可以集成、添加或替换数字模型，可以随时添加多个扩展结构，包括但不限于多尺度、多物理、多层次的模型内容。

（3）实时性

数字孪生离不开数据，必须以数字化的方式管理数据，使计算机能够识别和处理。

我们知道物理实体是客观存在的，无论它们是否可见，数字双胞胎最基本的是表征物理实体。我们应该表达什么？一个是外观，一个是状态，另一个是内部机制。这些表征数据必须是实时的，以确保两者之间的虚拟和真实的映射关系。

（4）保真性

数字双胞胎的真实性是指描述数字虚拟模型与物理实体之间的接近性。虚拟体和实体不仅需要保持几何结构的高度模拟，还需要在状态、相态和时态上进行模拟。值得一提的是，在不同的数字双胞胎场景中，同一数字虚拟体的模拟程度可能会有所不同。例如，在某些场景中，虚拟体的物理性质可能只需要描述，而不需要注意化学结构的细节。

（5）闭环性

当数字孪生体具有物理实体的实时状态时，我们可以描述和分析物理实体的内部机制。否则，我们只建立了物理实体的可视化模型。虽然它也是实时和变化的，但它只显示了物理实体的外部特征，对其内部机制没有实质性的研究，我们不能说数字孪生虚拟现实映射只停留在表面映射水平，而是研究其内部机制的映射。

这种内部机制的映射实际上是给数字双胞胎一个强大的大脑，通过监控、分析、推理、优化和操作物理实体数据来控制物理实体。因此，数字双胞胎是闭环的。

4

随着技术的进步，数字孪生不断深化发展，已演变成新产业。

虽然数字双胞胎是近20年来提出的概念，但它很早就被实际应用了。一般来说，数字双胞胎早在几千年前就出现了，并被人类应用到军事战斗中，比如古代行军作战所必需的指挥作战工具沙盘。

兵圣孙子曰：夫地形者，兵之助也。

自古以来，军事家就一直希望居高临下，纵观整个战区或战场的地形特征和变化，赢得战争胜利，这也是最早诞生双胞胎沙盘的主要原因。

沙盘在中国的历史可以追溯到东汉时期。公元32年，汉光武帝征服陇西的时代著名将领马援利用米首次创造了三维沙盘(当时可以称之为 米盘更合适)，聚米为山谷，指画形势，直观展示陇地的道路和危险，从而明确汉军的最佳进军路线，让汉军轻松穿越几个关口，在巍峨的陇山如履平地，就像在自己家门口作战。打得隗军优势尽丧，苦不堪言。

可以看出，在古代，人们已经知道双胞胎可以构建物理事物来促进和帮助物理事物更好地达到预期的效果。然而，在当时，由于认知和技术的强迫，人们对双胞胎的理解仅限于模型水平，无法实现实体和虚拟双胞胎之间的数据交换。

随着科学技术的发展，数字孪生体再次应用于航天计划。

虽然从文献到2010年NASA(美国国家航空航天局)首次在其太空技术路线图中引入了数字孪生的相关表述，但事实上早在上世界60年代NASA就有了“孪生”的概念，只不过当时的两个物体都是真实的物理实体飞行器。

1961年到1972期间美国组织实施了一系列载人登月飞行任务，命名为Apollo program （阿波罗计划），目的是实现载人登月飞行和人对月球的实地考察，为载人行星飞行和探测进行技术准备，它是世界航天史上具有划时代意义的一项成就。

在阿波罗工程中，NASA建设了一套完整的、高水准的地面半物理仿真系统，即构建了两个相同的航天飞行器，一个发射到太空执行任务，另一个留在地球实时实时反馈太空中飞行器的工作状态，被留在地球上的飞行器被称为孪生体（twin），被用来实时反馈正在太空执行任务的飞行器的状态和状况。在阿波罗工程的飞行准备期间，被称为孪生体的空间飞行器被广泛应用于训练；在任务执行期间，被称为孪生体的空间飞行器在地面精确的反馈和预测正在执行任务的太空飞行器的状态，进而辅助工程师分析处理各种紧急事件，让航天员在紧急情况下做出最正确的决策。

1970年4月，在阿波罗13号（Apollo 13）发射运行两天后，其服务舱的氧气罐发生爆炸，要知道飞船上的央企供应并非仅仅是供应呼吸，还用于与氢气混合以产生电力与水，这次爆炸，让Apollo 13突然之间失去了供电和维系生命的主要物质来源。而且Apollo 13的两台液氧罐都是被放在一同一个模块内的，包括向两个罐输送氧气的细小管路，因此，尽管从外部看一号罐并未遭受严重破坏，但其与二号罐之间的连接管路发生了破损，这就加速了Apollo 13氧气的泄露。

爆炸发生后，地面指挥中心所做的一切工作都是为了能让三位宇航员顺利的返回地球，保证他们的生命安全，因为大家心里都明白任何盲目的错误决定都可能实惠航天器的进一步破坏。那么，地面指挥中心该如何判断一个远在30万公里外的飞行器的状况呢？又该如何解决这个故障呢？这时就应用到了NASA的训练模拟器了。

在Apollo 13发射前，NASA已经陆续的发射了一些太空飞船，就在之前发射的Apollo 10号的准备过程中，工作人员进行了一系列的故障模拟测试，其中就包括了飞船在接近月球轨道时出现燃料电池故障的模拟，而这种模拟情况与Apollo 13目前的状态十分相似。在模拟环境中，指挥中心的工作人员想让宇航员利用登月舱作为救生舱，返回地球，但是很遗憾，在Apollo 10的模拟过程中，他们没能及时独立的启用登月舱系统，导致了模拟环境中的宇航员还是没能得救。这次模拟的失败让地面控制人员开发了新的控制程序，以备登月舱在指令舱系统故障时能够作为备用救生舱使用，而这也成为了Apollo 13的宇航员能顺利返航的关键因素，在Apollo 13爆炸发生后，经各方研究决定启用了这一救援方式，三名宇航员最终顺利的返回地球。

阿波罗13号登月舱飞行员小弗雷德参加模拟训练，他身处于肯尼迪航天中心宇航员训练大楼的阿波罗登月舱任务模拟器中。

阿波罗13号登月舱飞行员小弗雷德参加模拟训练

前部的是登月舱模拟器，后部的是指令舱模拟器，图片来源于NASA

从阿波罗计划我们可以看出，当时的数字孪生，其实就是通过孪生体反映真实物理实体的情况，进而帮助真实物理实体的使用者或控制者产生更精准的处理行为。

它具有两个显著的特点：

（1）孪生体与物理实体在外表（指产品的几何形状和尺寸）、内部构造（指产品的组成）和性质（指产品的功能和性能）上完全一致；

（2）通过仿真等方式来镜像/反映真实物理实体的运行情况/状态。

在特定的工程实践中，人类已经逐渐意识到了孪生体建设的重要性，又随着各种科技的高速发展，特别是软件技术与仿真技术的发展，使其构建的孪生体在功能、行为等方面可以用计算机系统替代物理实体的孪生体。

这时候，再提出数字孪生的概念，就成为水到渠成的事情了。

5

美国国航局与Michael教授有长期的合作关系，而数字孪生技术在航天器的研发和运营中可降低物理样机的成本，也可在运营阶段实现对航天器的远程监控和故障检测，这就促使了数字孪生被美国国航局作为了关键技术，NASA还在2010年的技术目标中明确了“数字孪生体2027计划”，希望通过近20年的研发，建立数字孪生体工程体系。

美国空军也发现了数字孪生的重要意义，在2013年《全休地平线》顶层科技规划文件汇总，将数字线索和数字孪生并列视为“改变游戏规则”的颠覆性机遇。美空军与波音合作构建了F-15C机体数字孪生模型，开发了分析框架：综合利用集成计算材料工程等先进手段，实现了多尺度仿真和结构完整性诊断；配合先进建模仿真工具，实现了残余应力、结构几何、载荷与边界条件、有限元分析网络尺寸以及材料微结构不确定性的管理与预测。综上，即可预测结构组件何时到达寿命期限，调整结构检查、修改、大修和替换的时间。（源自刘亚威先生于2017年9月在中国航空科技大会会议发表的稿件）

数字孪生将数据与工程模型集成

2013年的汉诺威工业博览会上德国政府正式提出“工业4.0”战略，其目的就是为了提高德国工业的竞争力，在新一轮工业革命中占领先机。该战略得到了德国科研机构和产业界的广泛认同，西门子公司率先将这一概念引入其工业软件开发和生产控制系统，并于2016年就开始尝试利用数字孪生体来完善工业4.0应用。从产品设计到生产线设计，到设备制造方的机械设计和工厂的规划排产，到最后制造执行和产品大数据，德国西门子公司就是用仿真模拟了一些工厂的实际操作，贯穿了产品生命周期各个环节。

美国通用电气管理层也对“数字”概念产生了浓厚的兴趣，经过管理层的慎重思考，提出了近年来通用电气最广为人知的解决方案————数字孪生项目，即数字和实体产品的结合体。通用电气的领导层带领其团队打造了Predix云平台，并在该平台上构建了一套可以代表机器和流程的数字孪生，将工业资产和设备进行建模、控制、分析，以实现工业互联网。

以数字孪生在机器上的应用情景为例，发电厂的管理者接到一通电话，告知他安装在客户发电厂的一个发电涡轮机正出现一些状况，这个改变可能导致一个关键部件比平常更快损坏，不一定会立刻引起问题，但在未来几个月，可能会导致发电厂的整体性能下降。但打电话给他并不是人类操作员，而是涡轮机的数字孪生。“它是利用人工智能算法为机器所构建的数字复制品，并允许它像人类一样观察和行动，”Colin Parris（通用电气全球副总裁：柯林·帕里斯）如此形容数字孪生。他进一步表示，机器的数字孪生就是一个使用 AI 以及人类思维所构建的复制品，可以在很大程度上改善机器维修等令人头痛问题，改变未来行业的运作方式，对于通用电气和其他工业世界来说，这代表着数万亿美元的新增长机会。数字孪生将成为工业数据经济的主要支柱。

与美国、德国等工业大国相比，数字孪生在中国的关注与研究起步相对较晚。从2016年才开始有学术界、企业界、政府机构的相关专家、学者发表数字孪生相关的文献，到2018年达到一定规模。其中高校及科研院所是数字孪生理论研究的主力机构，企业是将数字孪生技术付诸实现的研发方，政府机构在数字孪生的概念、技术、标准、应用实践等方面开展了大量工作，为数字孪生在中国的发展起到了重要作用。天津卓朗科技也开展了数字孪生的计划，希望使用人工智能、3D可视化、大数据等技术，打通数据中心的规划、建设、运行的数据闭环。

到目前，数字孪生不仅仅局限于工业或制造业，更多的开始在智慧数据中心、智慧城市、智慧交通领域进行应用，并且在不断地完善着其形态和观念。

6

为何数字孪生能受到众多国家、企业、科研人员的追捧？它到底能为我们的世界带来什么样的意义呢？接下来笔者将从各个行业的角度来分析数字孪生的实际意义。

通过对物理世界的多维度、多领域、多视图的数字仿真模拟，如下图所示，把物理世界的信息综合到数字世界中，对制造业的产线升级、效率提高有着至关重要的作用。

数字孪生在工业制造业的应用示意图

1）数字孪生可提高产品项目周期管理能力，有助于产品标准化生产。 

在产品研发、制造、采销等环节建立数字孪生体，多层次的模拟产品在物理空间的情况转变，可根据数字孪生体的变化结果对产品外形、构造、销售方式进行新的设计，减少产品发售时间。同时可以构建产品生产车间的数字孪生体，对原材料输入、设备生产状况、车间生产能力、生产产品质检等进行模拟仿真测试，有效提高产品品质管理能力，清查生产阶段漏洞，降低质检部门工作难度，加强产品品质保障机制。  

构建顾客、需求、市场、生产线、供应链、物流、售后维护等全产业链的数字孪生体，基于各产品模型系统进行工程整合，有助于传统工业制造业实现更为敏捷的商业模式。

2）数字孪生对于基建工程的意义重大

以数据中心举例，因为数据中心对电、水、环境温度要求比较高，首先在前期选址规划时，规划人员可以通过虚拟孪生体的场景进行调整和模拟布局，对不同的规划进行预测分析从而获得最佳建设位置；  

其次在施工建设阶段，数字孪生可对工程建设的流程进行动态模拟，在虚拟场景中对原料比例、建筑结构进行模拟调整，反馈到现实建设中促使资源最优化利用，实现效益最大化。

最后在运营管理阶段，运维人员可基于虚拟数字孪生体的数据、进行实体建筑问题的预测、诊断、决策，更快、更好、更精准的处理各类故障。

3）数字孪生对于智慧城市的意义

目前有些城市采用了智能路灯和井盖，可是实时收集数据信息，虚拟数字孪生城市是实体现实城市的虚拟映射对象和智能操控体，二者虚实对应、相互映射、相互影响、协同交互，数字孪生城市可全状态实时化、可视化的展示当前现实城市社会状况，并可根据历史数据，自动化、智能化的对城市进行管理，节省财力、人力成本。

4）数字孪生对于智慧医疗的意义

目前几乎所有医院总是人满为患，好的科室更是要提前几天甚至几个月来预约；终于到了预约的日子，又要在医院停车场一圈一圈的找车位；终于找好车位了，又要排队取号、排队看医生；看到医生没说几句，就开了一堆检查单，然后又开始排队预约检查、到日子来医院检查、等检查结果、取检查结果、再预约挂号看检查结果...如此下来，患者被折腾的筋疲力尽，医闹事件频发。 大家可以畅想下未来的应用场景。当有了医疗数字孪生体，首先我们可以通过智能穿戴设备打造一个患者人身数字孪生体，通过这个孪生体结合大量医学数据，可以自动判别患者的疾病并给出对应治疗，无需往返医院；其次如果真的需要实际前往医院治疗，医疗数字孪生体可根据当前院内车流数据、排队病患数据给出最佳的前往时间，极大的减少患者就医等待时间，医生看诊时也可直接参考智能穿戴设备提供的数据，减少了患者检查时间，增加了临床诊断的准确性，如图1-12所示，这是OnSacle研发的“数字双肺”模型，可预测新冠肺炎患者的通气需求.

图1-12 “数字双肺”模型

5）数字孪生的通用意义

从通用角度上来说数字孪生通过虚实空间的映射，生成可拆解、可复制、可修改、可删除、可重复操作的数字孪生体，这极大的方便了人们对物理实体的掌控，降低了对物理实体的操作代价；同时数字孪生体可以结合物联网的数据收集、大数据处理和人工智能的分析，对当前实体设备的状态进行评估，对问题进行诊断，对未来发展进行预测，为最后的决策提供全方面的支持；最终方便了人们对物理实体的设计、制造和服务。

过去，产业数字化作为一种趋势，可以让数据、信息、场景都变得可视化、流程化和个性化；现在，有了数字孪生技术的加入，数字就多了一种更立体、更直观的展示形式。总得来说数字孪生通过数据的积累保存了经验的数字化，为未来的状况提供了更加自动化、智能化的诊断和处理，拥有更全面的分析和预测能力，让我们的生活更便捷。

7

一点积累分享给大家，如果大家有数字孪生相关的需求，欢迎联系我。

完

（欢迎评论区留在你的观点，公众号回复“1”，添加我，与我一起交流，并留言领取B端运营全景地图一份）

······

敬请期待下一篇

·······

愿大家一起成长交流，产品之路，与你同行！

可以在公众号回复“1”，加我好友，领取B端岗位地图！

图片来源于网络

若好的建议和想法，欢迎在下方留言

因为公众号平台改变了推送规则，如果你还想如常看到我的文章，记得点一下在看和星标哦，同时也可以把干货转给有需要的小伙伴，期待我们不定期的相遇 ：）