老于笔记·03.07

与其取悦别人，不如快乐自己，能把艰难的生活，活出诗意，活出深情的世界，这才是能力。

前言

本文介绍了数字孪生相关知识，自数字孪生概念提出以来，已广泛应用于各个领域。

正文

一、基于模仿的数字孪生应用

早在数字双胞胎发展的萌芽阶段，人们就开始建立各种模型来模仿和控制实体。也许当时我们不知道数字双胞胎是什么，当时的概念只是模仿。

1.工业模仿

在工业界，人们通常使用软件来模仿或帮助人们的行为。例如，最早的计算机绘图软件是模仿纸上人的绘画行为。随着人机交互技术的不断发展，模仿行为越来越多，如：

（1）用CAD软件模仿产品的外观和结构

（2）用CAE软件模仿产品的力学性能

（3）用OA软件模仿公司各种行政工作的管理流程

（4）用CRM软件模仿企业销售管理流程

人们依靠大数据支持和软件中的一些特定算法，开发了许多具有一定人工智能水平的工业软件。

2.模仿娱乐圈

在文学和娱乐界，人们通常使用软件来模仿或增强人们的体验，使人们的生活更简单、更方便、更舒适，例如：

(1)用电子书模仿纸质书

(2)使用音频播放软件模仿现场说书

（3）用游戏软件来模仿各种真实场景的游戏

(4)用智能机器人模仿老师辅导孩子作业

人们不仅可以模仿物理、已知和经验丰富的东西，还可以创造性地模仿想象、未知和未经历过的东西。例如，电影和电视行业可以使用软件创造各种幻想效果和传奇或卡通人物。

特别是，当模仿和VR/AR结合在一起，场景会变得逼真、逼真、动人，最大限度地满足人们的感官体验和精神需求。

3.模仿军事领域

正如上述应用于美国阿波罗计划的模型飞机一样，它也出现在汽车等复杂产品工程领域数字样机的概念。

数字样机最初是指在CAD系统中通过三维建模构建的可视化数字模型，方便员工协调零件之间的关系，进行相关检查，节省运维成本。随着数字技术的发展，数字原型的作用也在增强，可以在运动、人机交互、机械操作等功能上进行模拟。机器性能也通过计算进行了模拟。

目前，数字原型已从简单的几何原型扩展到功能原型和性能原型。但无论哪种原型实际上都属于模拟的范畴。

21世纪初，中国航空工业集团第一飞机研究院开发的飞豹全数字样机和服役的飞机形状。

数字样机(飞豹全数字样机与服务飞机)

当人们发现物理空间中的物理事物和数字空间中的虚拟事物可以通过数据通道连接和传输数据和指令时，数字双胞胎的概念基本形成，作为智能制造的基础IT新的视角应用技术，慢慢进入人们的视野。随着数字设计、模拟技术、人机交互技术的发展和数字双胞胎概念的深入，数字双胞胎可以应用于更多的场景、应用和领域，方便人工操作，帮助企业通过数字双胞胎可视化更方便地认知和管理现实世界。

二、数字孪生城市

数字孪生城市是利用数字孪生技术在虚拟网络空间中构建与物理世界相对应的孪生城市。这座孪生城市以数字为基础，运营、治理和决策城市的各个方面。实时数据源包括智能路灯、智能井盖、交通数据、电力数据等。

本质上，数字双胞胎城市是虚拟空间中实体城市的映射。通过数字连接，物理实体城市最终与数字虚拟城市的虚拟现实融合。

城市架构图数字孪生

通过架构图生城市主要分为以下几个步骤：

(1)智能感应设施建设

数字孪生城市的基础是数据。数据从何而来？来自实体城市。城市实体建筑、道路、桥梁、湖泊通过布置天、地、物多端传感器进行数字化建模，全面建设移动基站、电子围栏、智能手机终端等设施，推广5个G、WLAN、eMTC、LTE在城市基础设施项目中，形成天地一体的总和信息网络，满足实体城市数据的无缝接入，实现数字孪生城市的不同应用场景。

(2)构建高精度数字孪生城市模型

在数字孪生城市中，物理城市中的人、物、事都有虚拟形象，可以实现虚实同步运作。

(3)智能城市大脑

通过对全球数据的分析和计算，建立城市信息模型，通过持续培训独立优化模型，全面协调城市管理相关子业务系统，实现全网络协调处理，完善城市管理的各个方面。

以酷炫的视觉效果、全面的数据集成、场景化的业务展示为支撑，利用数字孪生技术打造智慧城市数字空间，有效提升城市IOC管理人员对城市运营、治安、交通、政务等业务监控管理效率，支撑智慧城市、智慧园区辅助决策。

中国的数字孪生城市经历了2017-2018年的概念培育期和2019年的技术方案架构期。现已正式进入建设实施期。国家发改委、技术部、工业和信息化部、自然资源规划局、住房和城乡建设部等部委密集出台了相关政策，全面推荐数字孪生城市建设，相信在不久的将来，中国的数字孪生城市将带来城市智能管理和服务的颠覆性创新，届时人们的生活将更加舒适、高效、便捷。

三、数字孪生医疗

2019年3月，国家卫生委员会首次提出云计算、大数据、AI、物联网等技术应用于医疗服务领域，建设涵盖智能医疗、智能服务、智能管理的智能医院。因此，智能医院的建设开始加快。

在健康医疗领域，数字双胞胎技术可以建立医院的数字双胞胎。通过各种传感器设施和数字系统的建设，患者可以以最小的流程完成治疗，提高医生的诊断准确性，实现现代医疗技术手段，如预测、预警和远程咨询。

数字孪生医疗架构图

通过架构图可以发现，构建数字几个步骤：

(1)建设数字化、网络化的医疗设备??

建设数字成像设备，如CT、MRI、CR、DR、ECT等，完成患者相关信息的数据收集；建立医院医疗设备网络，实现医院图像和文档的传输，缩短患者就医时间，降低医生电子订单和电子处方的错误率。全面完善医院安全监控等基础设施建设。

(2)建医院数字孪生体

建立医院数字双胞胎，覆盖医院整个空间，从医院到建筑，从设备到消防，从监控到门禁，所有数据集成显示，让管理者了解医院的运营和各部门的工作，合理调度应急或应急资源；医生可以方便地了解病房患者；患者可以根据当前的流量和身体状况选择合适的时间。

(3)构建个人数字孪生体??

随着数字双胞胎技术和现代医学的不断发展，我相信在未来我们每个人都会有自己的数字双胞胎，通过佩戴智能终端传感器设备，我们的数字双胞胎身体数字显示我们身体的各种指标，当有异常时，可以及时预警，并提供相应的医疗或治疗建议。

当所有医疗数据都实现时互联、互通、互用、自检、自适应、自修复，那么我们的医疗条件肯定会得到质的改善。

四、数字孪生工厂

德国工业4.美国工业互联网，中国互联网 制造业和其他概念都提出了国家层面的制造业转型战略。这些战略的核心目标之一是建立虚拟数字工厂，数字双胞胎是实现物理实体工厂与虚拟数字工厂融合的最佳手段。

数字孪生工厂架构图

通过架构图可以发现，构建数字孪生工厂主要分为以下步骤：

(1)工厂智能终端设施建设??

要完成虚拟和现实的整合，必须完成实体空间/设备的数据，将数据行为传递给虚拟数字工厂的相应模型，然后从数字工厂处理和输出数据，从而反向控制实体工厂。

(2)数字孪生工厂的建设??

工厂整个公园、建筑、车间、设备、监控等设备3D三维建模，实现物理实体园区向三维虚拟园区的转变。

(3)实时数据采集系统

实体工厂的设备运行状态和参数信息应实时收集、自动汇总和动态显示。当数据达到报警阈值时，集成监控、报警等子系统产生声音和颜色文本等多方式告警。数字孪生工厂可使实体与孪生体的生产过程无缝融合，提高企业管理和生产的透明度，提高车间工作人员的工作效率，降低工厂的事故发生频率，打造数据化驱动的智能制造企业。

五、数字孪生在其他行业的应用

数字孪生已经被应用到了很多行业。

数字孪生的应用（源自《数字孪生应用白皮书-2020版》）

1. 数据中心的数字孪生   

数据中心可视化管理平台，采用数字孪生技术，实现对数据中心的虚拟仿真，让管理人员可以清晰直观地掌握IT运营中的有效信息，实现透明化与可视化管理，进而有效提升资产管理与监控管理的效率，实现立体式、可视化的新一代数据中心运行管理。

数据中心可视化主要涵盖以下方面：（1）环境可视化 （2）监控可视化 （3）容量可视化。

目前数据中心的数字孪生技术主要表现为在设计阶段用3D建模和仿真，通过CAD软件、BIM软件、CFD软件等工具构建数据中心数字孪生模型；在数据中心的运维阶段结合3D仿真技术、物联网技术、人工智能技术和数据分析技术，实现IT变更管理、机房容量管理、节能运行管理等相关功能。

2. 架构管理可视化   

IT架构图管理平台可为IT运维团队提供更加准确、易用、丰富的架构图。通过IT架构可视化，实现架构搜索、版本管理、团队协作等架构管理，实现组合透视、运维分析等场景使用，实现标准绘图、数据联动等架构设计。

3. 园区可视化   

基于数字孪生的三维技术为基础，将人工智能、物联网(IOT)、大数据分析等新一代信息技术进行整合，通过可视化的管理方式，实时、动态、直观的对园区内建筑设备从宏观到微观进行全方位管理。

4. IOC智能运营中心   

作为高效的场景化协作的智能运营中心入口，提供创新的数字孪生运营可视化交互门户服务。通过数字孪生对象数据，驱动科学决策、精益管理、业务全景展示。整合现有数据资源，满足智慧城市、智慧园区等场景下的运行监控、运营分析评价、应急指挥、风险控制预警等业务场景。

5. 数字化建筑   

在修建楼宇、房屋、高速公路、桥梁等建筑之前可先使用数字孪生技术完成工程的数字化建模，然后通过输入各种钢筋、混凝土、建筑结构等数据利用建筑的数字孪生体进行评估、预测实体建筑是否能满足需求，是否会有事故隐患等等。

近些年，当人们提出了希望物理空间中的实体事物与数字空间中的虚拟事物之间具有连接数据通道、相互传输数据和指令的交互关系之后，数字孪生概念基本成形，并且作为智能制造中一种基于IT视角的新型应用技术，逐渐走进人们的视野。数字孪生技术也越来越虚实对应，越来越虚实融合，越来越广泛应用，数字虚体越来越赋能于物理实体系统。事实上，现有的工业软件研发与生产数据以及沉积在工业领域内的大量的工业技术和知识，都是实现数字孪生的上好“原料”和基础构建，数字孪生在工业现实场景中已经具有了实现和推广应用的巨大潜力。

六、数字孪生在不同环节的形态

数字孪生在应用中必须要以实际的产品为载体，以实际产品的生命周期为依托，贯穿产品从设计、研发、生产、销售、维护等全生命周期，那么在产品的不同阶段，数字孪生在应用时就形成了不同的形态。

数字孪生在不同环节的形态

1.设计阶段的数字孪生   

在产品设计阶段，数字孪生可以降低设计成本，增加产品设计多样性，检验不同设计最终实际成品的合理性，进而提升产品设计的准确性。

法国的一家飞机制造商达索公司具有独立研制军用和民用飞机的能力，公司总共生产了各种型号的飞机650余架，公司利用用户反馈的信息不断改进虚拟的数字产品设计模型，并反馈到现实的物理实体产品中，使得战斗机质量改进提升了15%，资源浪费降低了25%，并且通过该数字孪生系统衍生的系统至今仍在航天、船舶、汽车等制造行业中广泛应用。

2.制造阶段的数字孪生   

在产品制造阶段，我们知道生产设备的参数设置合理性以及在不同条件下的生产能力，通常决定了客户产品的品质和交付周期，数字孪生可以加快产品投产时间，加快产品生产速度，提升产品生产质量，降低生产成本。

比如现在应用十分广泛的数字化生产线，在产品生产之前，工作人员就可以通过数字孪生生产线模拟不同参数，不同外部条件下的生产流程以及会遇到的问题，从而促进真实生产制造时达到相关工艺、工序要求并将生产利益最大化。在生产过程中，数字孪生体可以将实体设备状态、加工内容、设备和产线的产量、质量、能耗等实时反馈。对于出现故障的设备，可以及时告警，并提醒工作人员告警位置以及提供告警解决方案。

3.服务环节的数字孪生   

从服务化维度上来看，数字孪生相继经历了服务经济、服务增值、服务增强等阶段。

在服务经济阶段，数字孪生以客户需求为中心，制造出满足客户要求的产品；

在服务增值阶段，数字孪生通过客户反馈以及大量数据经验积累，给出产品的增值服务项；

在服务增强阶段，数字孪生通过产品迭代，运维数据更新，可分析提供出更适合用户需求的产品，更标准的服务方式。

目前数字孪生技术整合物联网、大数据、人工智能、数据三维可视化和虚拟仿真技术已在各个行业上得到了广泛应用。

七、数字孪生应用的关键技术

通过数字孪生的定义以及其在各个行业的应用，我们可以简单把其所需要的技术做架构：

数字孪生应用的关键技术

（注：下文所涉及到的相关技术定义摘自百度百科。）

▍物联网

物联网（Internet of Things，简称IOT）是指通过各种信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化 学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。物联网是一个基于互联网、传统电信网等的信息承载体，它让所有能够被独立寻址的普通物理对象形成互联互通的网络。

若要实现数字孪生，就必须借助传感器运行将实体设备的实时数据来反馈到数字孪生系统，从而实现在虚拟空间的仿真。也就是说，物联网的各种感知技术是实现数字孪生的必要条件。

▍5G技术

5th Generation Mobile Communication Technology(第五代移动通信技术,简称5G)，是具有高速率、低时延和大连接特点的新一代宽带移动通信技术，是实现人机物互联的网络基础设施。

5G技术包含5G无线关键技术、5G网络关键技术，能满足灵活多样的物联网需要，支持部署各种差异化业务场景，目前已经逐步应用在工业领域、车辆网与自动驾驶领域、能源领域、文旅领域等等。如果说物联网是实现数字孪生的必要条件，那么5G就是他们之间的桥梁。

▍VR/AR/MR

（1）VR虚拟现实

Vitual Reality（虚拟现实，简称VR）。顾名思义，虚拟现实就是虚拟和现实结合在一起。从理论上来件，VR是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它就是利用现实生活中的数据，通过计算机产生的电子信号生成一种模拟环境，模拟环境可以是现实中真真切切的物体，也可以是我们日常用肉眼无法看到的物质，这个模拟环境会结合各种输出设备从而让用户沉浸到该环境中，因为这些现象是需要通过计算机技术模拟出来，故称之为虚拟现实。

VR的发展已经经历了四个主要阶段，如图所示。

VR发展的四个主要阶段

 （2）AR增强现实

Augmented Reality(增强现实，简称AR)。增强现实技术是通过仿真处理，将真实世界环境和虚拟物体进行叠加，能够在同一画面以及空间中同时存在并有效应用，如图1-21所示，为AR在车载系统中的应用。

AR在车载系统的应用

（3）MR混合现实

Mediated Reality（混合现实，简称MR）。混合现实技术是虚拟现实技术的进一步发展，该技术通过在现实场景呈现虚拟场景信息，在现实世界、虚拟世界和用户之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强用户体验的真实感。

VR是纯虚拟数字画面，而AR虚拟数字画面加上裸眼现实，MR是数字化现实加上虚拟数字画面。从概念上来说，MR与AR更为接近，都是一半现实一半虚拟影像，但传统AR技术运用棱镜光学原理折射现实影像，视角不如VR视角大，清晰度也会受到影响。

MR技术结合了VR与AR的优势，能够更好地将AR技术体现出来。

随着社会生产力和科学技术的不断发展，各行各业对虚拟现实的需求日益旺盛，数字孪生就是其中之一，在实现数字孪生的过程中，我们必须要采用一定技术手段构建虚拟现实体，而这正是VR/AR/MR的强项。

▍API

Application Programming Interface（应用程序接口，简称API）是预先定义的接口，用来提供应用程序与开发人员基于某软件或硬件得以访问的一组例程，而又无需访问源码，或理解内部工作机制的细节。简单来说就是可以通过API接口获取到另一个程序或者应用中的数据应用于需要的项目里。

数字孪生需要构建虚拟数字孪生体，并且实时获取真实物理环境中的数据，这就要求真实设备应用通过API接口应用到孪生体中进行展示，分析。

大数据

Big data（大数据），是指无法在一定时间范围内用常规软件工具进行捕捉、管理和处理的数据集合，是需要新处理模式才能具有更强的决策力、洞察发现力和流程优化能力的海量、高增长率和多样化的信息资产。通俗来讲，大数据就是海量的数据。通过多渠道快速获取多种类的海量数据，挖掘有价值的和潜在的信息，合理运用，最终以低成本创造高价值。

从数字孪生和大数据的概念可以看出，这两个技术都是以数据为基础，数据采集都是二者不可缺少的环节，不同的是数字孪生技术更强调优化，大数据更强调分析；一切优化都要建立在分析的基础上，故大数据也是数字孪生应用中的关键技术之一。

▍云计算

Cloud computing（云计算）是分布式计算的一种，指的是通过网络“云”将巨大的数据计算处理程序分解成无数个小程序，然后，通过多部服务器组成的系统进行处理和分析这些小程序得到结果并返回给用户。云计算早期，简单地说，就是简单的分布式计算，解决任务分发，并进行计算结果的合并。因而，云计算又称为网格计算。通过这项技术，可以在很短的时间内（几秒钟）完成对数以万计的数据的处理，从而达到强大的网络服务。

简单来说云计算的核心概念是以互联网为中心，在网站上提供快速且安全的云计算服务与数据存储，让每一个使用互联网的人都可以使用网络上的庞大计算资源与数据中心。数字孪生应用需处理大量数据以及对应业务逻辑，云计算的加入就使这些工作变得更安全、更省钱、更省事。

▍人工智能 

Artificial Intelligence（人工智能，简称AI），人工智能是计算机科学的一个分支，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。简单来说人工智能强调要创造像人类一样工作和反应的智能机器。

AI不同于传统机器人，它包含了机器学习，可以从被动到主动，从模式化实行指令到自主判断根据实际不同情况执行不同指令。其实AI就是大数据、云计算的应用场景。在数字孪生应用中，我们要通过海量数据得以分析，最终反向控制现实社会，那么AI就显得尤为重要。

▍边缘计算  

Edge Computing（边缘计算），是指在靠近物或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就近提供最近端服务。其应用程序在边缘侧发起，产生更快的网络服务响应，满足行业在实时业务、应用智能、安全与隐私保护等方面的基本需求。边缘计算处于物理实体和工业连接之间，或处于物理实体的顶端。而云端计算，仍然可以访问边缘计算的历史数据。

从根本上讲，边缘计算使计算和数据存储更接近采集它的设备，而不是依赖数千公里外的中央位置，这样能保证数据（尤其是实时数据）不会受到因程序性能导致的延迟问题，能更快更好的处理和存储数据，这也是数字孪生应用的重要基础。

完

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图片来源于网络

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