Digital Twin 數(shù)字孿生| 工四100術(shù)語 (編號308)
其他譯法：數(shù)字鏡像，數(shù)字雙胞胎，數(shù)字化映射 本詞條由知識自動化《工四100術(shù)語編寫組》收錄，版權(quán)所有。歡迎業(yè)內(nèi)提出建議。 “到了2035年，當航空公司接收一架飛機的時候，將同時還驗收另外一套數(shù)字模型。每個飛機尾號，都伴隨著一套高度詳細的數(shù)字模型。”美國《航空周報》兩年前就迫不及待地做出這樣的預測。 是的，每一特定架次的飛機都不再孤獨。因為，它有一個忠誠的影子，從不消失，伴隨一生。這就是數(shù)字孿生。 美國國防部最早提出利用Digital Twin技術(shù)，用于航空航天飛行器的健康維護與保障。首先在數(shù)字空間建立真實飛機的模型，并通過傳感器實現(xiàn)與飛機真實狀態(tài)完全同步，這樣每次飛行后，根據(jù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有情況和過往載荷，及時分析評估是否需要維修，能否承受下次的任務載荷等。 這一概念顯然是在現(xiàn)有的虛擬制造、數(shù)字樣機（包括幾何樣機、功能樣機、性能樣機）等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來?，F(xiàn)有的虛擬制造或數(shù)字樣機也是建立在真實物理產(chǎn)品數(shù)字化表達的基礎(chǔ)上的。然而現(xiàn)有的數(shù)字樣機建立的目的就是描述產(chǎn)品設(shè)計者對這一產(chǎn)品的理想定義，用于指導產(chǎn)品的制造、功能性能分析（理想狀態(tài)下的）。而真實產(chǎn)品在制造中由于加工、裝配誤差、和使用、維護、修理等因素，并不能與數(shù)字化模型保持完全一致。從而，數(shù)字樣機并不能反應真實產(chǎn)品系統(tǒng)的準確情況，在這些數(shù)字化模型上的仿真分析，其有效性受到了明顯的限制。 Digital Twin數(shù)字孿生：是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，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。 Digital Twin是一種超越現(xiàn)實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。 以飛行器為例，可以包含機身、推進系統(tǒng)、能量存儲系統(tǒng)、生命支持系統(tǒng)、航電系統(tǒng)以及熱保護系統(tǒng)等。它將物理世界的參數(shù)，重新反饋到數(shù)字世界，從而可以完成仿真驗證和動態(tài)調(diào)整。 數(shù)字孿生，有時候也用來指代將一個工廠的廠房及產(chǎn)線，在沒有建造之前，就完成數(shù)字化模型。從而在虛擬的賽博空間中對工廠進行仿真和模擬，并將真實參數(shù)傳給實際的工廠建設(shè)。而工房和產(chǎn)線建成之后，在日常的運維中二者繼續(xù)進行信息交互。
也可以被稱為“數(shù)字鏡像”，“數(shù)字雙胞胎”或“數(shù)字化映射”。
值得注意的是：
Digital Twin不是
對于Digital Twin的極端需求，同時也將驅(qū)動著新材料開發(fā)，而所有可能影響到裝備工作狀態(tài)的異常，將被明確地進行考察、評估和監(jiān)控。 Digital Twin正是從內(nèi)嵌的綜合健康管理系統(tǒng)（IVHM）集成了傳感器數(shù)據(jù)、歷史維護數(shù)據(jù)，以及通過挖掘而產(chǎn)生的相關(guān)派生數(shù)據(jù)。 通過對以上數(shù)據(jù)的整合，Digital Twin可以持續(xù)地預測裝備或系統(tǒng)的健康狀況、剩余使用壽命以及任務執(zhí)行成功的概率，也可以預見關(guān)鍵安全事件的系統(tǒng)響應，通過與實體的系統(tǒng)響應進行對比，揭示裝備研制中存在的未知問題。Digital Twin可能通過激活自愈的機制或者建議更改任務參數(shù)來減輕損害或進行系統(tǒng)的降級，從而提高壽命和任務執(zhí)行成功的概率。 數(shù)字孿生與Digital Thread的關(guān)系 Digital Twin是與Digital Thread，既相互關(guān)聯(lián)，又有所區(qū)別的一個概念。 Digital Twin是一個物理產(chǎn)品的數(shù)字化表達，以便于我們能夠在這個數(shù)字化產(chǎn)品上看到實際物理產(chǎn)品可能發(fā)生的情況，與此相關(guān)的技術(shù)包括增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實。 Digital Thread在設(shè)計與生產(chǎn)的過程中，仿真分析模型的參數(shù)，可以傳遞到產(chǎn)品定義的全三維幾何模型，再傳遞到數(shù)字化生產(chǎn)線加工成真實的物理產(chǎn)品，再通過在線的數(shù)字化檢測/測量系統(tǒng)反映到產(chǎn)品定義模型中，進而又反饋到仿真分析模型中。 圖2 數(shù)據(jù)經(jīng)由Digital Thread流動 依靠Digital Thread，所有數(shù)據(jù)模型都能夠雙向溝通，因此真實物理產(chǎn)品的狀態(tài)和參數(shù)將通過與智能生產(chǎn)系統(tǒng)集成的賽博物理系統(tǒng)CPS向數(shù)字化模型反饋，致使生命周期各個環(huán)節(jié)的數(shù)字化模型保持一致，從而能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)、實時評估系統(tǒng)的當前及未來的功能和性能。 而裝備在運行的過程中，又通過將不斷增加的傳感器、機器的聯(lián)接而收集的數(shù)據(jù)進行解釋利用，可以將后期產(chǎn)品生產(chǎn)制造和運營維護的需求融入到早期的產(chǎn)品設(shè)計過程中，形成設(shè)計改進的智能閉環(huán)。 這就是Digital Twin的領(lǐng)域。 然而，并不是建立了全機有限元模型，就有了數(shù)字孿生，那只是問題的一個角度；必須在生產(chǎn)中把所有真實制造尺寸反饋回模型，再用PHM（健康預測管理）實時搜集飛機實際受力情況，反饋回模型，才有可能成為Digital Twin。 Digital Twin描述的是通過Digital Thread連接的各具體環(huán)節(jié)的模型?？梢哉fDigital Thread是把各環(huán)節(jié)集成，再配合智能的制造系統(tǒng)、數(shù)字化測量檢驗系統(tǒng)的以及賽博物理融合系統(tǒng)的結(jié)果。 圖3 數(shù)字孿生與數(shù)字生產(chǎn)線 通過Digital Thread集成了生命周期全過程的模型，這些模型與實際的智能制造系統(tǒng)和數(shù)字化測量檢測系統(tǒng)進一步與嵌入式的賽博物理融合系統(tǒng)(CPS)進行無縫的集成和同步，從而使我們能夠在這個數(shù)字化產(chǎn)品上看到實際物理產(chǎn)品可能發(fā)生的情況。 簡單說，Digital Thread貫穿了整個產(chǎn)品生命周期，尤其是從產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、運維的無縫集成；而Digital Twin更像是智能產(chǎn)品的概念，它強調(diào)的是從產(chǎn)品運維到產(chǎn)品設(shè)計的回饋。 它是物理產(chǎn)品的數(shù)字化影子，通過與外界傳感器的集成，反映對象從微觀到宏觀的所有特性，展示產(chǎn)品的生命周期的演進過程。當然，不止產(chǎn)品，生產(chǎn)產(chǎn)品的系統(tǒng)（生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)線）和使用維護中的系統(tǒng)也要按需建立Digital Twin。 實現(xiàn)Digital Twin的許多關(guān)鍵技術(shù)都已經(jīng)開發(fā)出來，比如多物理尺度和多物理量建模、結(jié)構(gòu)化的健康管理、高性能計算等，但實現(xiàn)Digital Twin需要集成和融合這些跨領(lǐng)域、跨專業(yè)的多項技術(shù)，從而對裝備的健康狀況進行有效評估，這與單個技術(shù)發(fā)展的愿景有著顯著的區(qū)別。 因此，可以設(shè)想Digital Twin這樣一個極具顛覆的概念，在未來可以預見的時間內(nèi)很難取得足夠的成熟度，建立中間過程的里程碑目標就顯得尤為必要。 美國空軍研究實驗室（AFRL）2013年發(fā)布的Spiral 1計劃就是其中重要的一步，已與通用電氣（GE）和諾思羅譜·格魯曼簽訂了2000萬美元的商業(yè)合同以開展此項工作。計劃以現(xiàn)有美國空軍裝備F15為測試臺，集成現(xiàn)有最先進的技術(shù)，與當前具有的實際能力為測試基準，從而標識出虛擬實體還存在的差距。 當然，對于Digital Twin這么一個好聽好記的概念，許多公司已經(jīng)迫不及待地將其從高尖端的領(lǐng)域，拉到民眾的眼前。 圖4 數(shù)字世界和實體世界的融合
GE將其作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一個重要概念，力圖通過大數(shù)據(jù)的分析，可以完整地透視物理世界機器實際運行的情況；而激進的PLM廠商PTC公司，則將其作為主推的“智能互聯(lián)產(chǎn)品”的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)：智能產(chǎn)品的每一個動作，都會重新返回設(shè)計師的桌面，從而實現(xiàn)實時的反饋與革命性的優(yōu)化策略。
Digital Twin突然賦予了設(shè)計師們以全新的夢想。它，正在引導人們，穿越那虛實界墻，在物理與數(shù)字模型之間自由交互與行走。 Digital Twin是智能制造系統(tǒng)的基礎(chǔ) Digital twin最為重要的啟發(fā)意義在于，它實現(xiàn)了現(xiàn)實物理系統(tǒng)向賽博空間數(shù)字化模型的反饋。這是一次工業(yè)領(lǐng)域中，逆向思維的壯舉。人們試圖將物理世界發(fā)生的一切，塞回到數(shù)字空間中。 只有帶有回路反饋的全生命跟蹤，才是真正的全生命周期概念。 這樣，就可以真正在全生命周期范圍內(nèi)，保證數(shù)字與物理世界的協(xié)調(diào)一致。各種基于數(shù)字化模型進行的各類仿真、分析、數(shù)據(jù)積累、挖掘，甚至人工智能的應用，都能確保它與現(xiàn)實物理系統(tǒng)的適用性。 這就是Digital twin對智能制造的意義所在。 智能系統(tǒng)的智能首先要感知、建模，然后才是分析推理。如果沒有Digital twin對現(xiàn)實生產(chǎn)體系的準確模型化描述，所謂的智能制造系統(tǒng)就是無源之水，無法落實。
Digital Twin這個詞讓我們編寫組頗費周折，前后歷時三個多月反復琢磨?？紤]到這是理解美國智能制造業(yè)的關(guān)鍵性詞匯，因此需要格外打磨其含義。 首先要談Digital Twin，就躲不開Digital Thread。后者是前者的使能因素。 Digital Thread被我們“工四100術(shù)語”編寫組，最早翻譯成“數(shù)字主線”。但感覺仍然有些不太滿意。后來“數(shù)字線”，以及專家提出的“數(shù)字鏈”，都讓我們在選擇上頗費躊躇。
（讀者如果有更好的翻譯建議，歡迎在原文下方直接留言。）
而從Digital Twin翻譯成中文的角度，我們一直特別喜歡“數(shù)字雙胞胎”這個詞，太上口了。但感謝英諾維盛公司趙敏先生提供的辨析思路，使得我們最后還是采用了“數(shù)字孿生”作為正式用語，而將“數(shù)字雙胞胎”作為可選詞條。 數(shù)字雙胞胎、數(shù)字孿生與數(shù)字鏡像 “雙胞胎”說的是兩個一模一樣的事物，無論是形狀，還是質(zhì)地。而Digital Twin想要表達是形狀上完全相似，而在質(zhì)地上差異極大。 數(shù)字孿生，僅僅是說明數(shù)字產(chǎn)品與物理產(chǎn)品它們之間長得非常像而已。不使用“體”這個詞，主要是為了強調(diào)，數(shù)字虛擬體和物理實體之間，是有著本質(zhì)的差別的。因此數(shù)字雙胞胎，或者雙胞體，都會引起錯誤的聯(lián)想。 實際上，數(shù)字鏡像，應當算是一個最準確的翻譯。當你看鏡子里面的你的時候，鏡子里面的“你”是你嗎？當然不是，只是一個光學鏡像而已。同樣，數(shù)字世界中的數(shù)字產(chǎn)品，真的是物理產(chǎn)品嗎？顯然也不是。 最后：
特別鳴謝PLCopen中國組織名譽主席彭瑜教授，他為該術(shù)語進行了詳細的修改和編輯，并指出許多特別有價值的分析。彭教授精益求精的治學理念和博大精深的知識結(jié)構(gòu)，給我們留下了深刻的印象。
同時感謝航空制造業(yè)與信息化專家黃迪生高工對該文稿進行了最后 的編審和多處潤色。
楊雨辰，北京聯(lián)訊動力咨詢公司特邀研究員；
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