三　掌握数字孪生的基本规律

在数字孪生技术的实际运用中，以下几点是始终不变的规律：

（一）多源异构数据融合

数字孪生的核心元素是数据。数据来源于物理实体、运行系统、传感器等，覆盖了模拟模型、环境数据、物理对象设计数据、维护数据、运行数据等，并贯穿于物理对象运行的始终。

数字孪生体作为数据存储平台，采集各种原始数据，进行数据融合处理，推动模拟模型各个部分的动态运行，有效地反映各种业务过程。因此，数据是数字孪生应用的“血液”，没有多源融合数据，数字孪生应用将失去动力。

（二）数据驱动高保真全映射

数字孪生系统的主体是根据物理实体和行为逻辑建立的数据驱动模型。孪生数据是实现物理实体对象和数字世界模型对象间映射的基础，包括模型、行为逻辑、业务过程、状态变化等，实现在数字世界中对物理实体的状态和行为的全面呈现、精确表达和动态监控。也就是说，可以在虚拟环境实现全要素建模，1∶1还原真实物理场景。

（三）闭环进化协助决策

利用数字孪生中大量的历史、实时数据，结合先进的算法模型，可以在数字世界中有效地反映物理实体的状态和行为。同时，通过在数字世界中持续对物理实体进行监测、推理、优化、试错，最终形成最优值反馈给物理世界，再对物理实体改进结果持续进行监测、推理、优化、试错，形成物理实体与数字孪生相互进化的闭环，为实体对象的指令制定、过程体系的进一步优化提供了决策依据，大大提高了分析决策效率。

（四）动态化配置

组件化模型分为单元级、系统级、系统之系统级，是基于物理对象全生命周期的模型资源动态配置与集成。

同时，从数字孪生的定义可以看出，数字孪生具有以下几个典型特点：

（1）互操作性：数字孪生中的物理对象和数字空间能够双向映射、动态交互和实时连接，因此数字孪生具备以多样的数字模型映射物理实体的能力，具有能够在不同数字模型之间转换、合并和建立“表达”的等同性。

（2）可扩展性：数字孪生技术具备集成、添加和替换数字模型的能力，能够针对多尺度、多物理量、多层级的模型内容进行扩展。

（3）实时性：数字孪生技术要求数字化，即以一种计算机可识别和处理的方式管理数据以对随时间轴变化的物理实体进行表征。表征的对象包括外观、状态、属性、内在机理，形成物理实体实时状态的数字虚体映射。

（4）保真性：数字孪生的保真性指描述数字虚体的模型与物理实体的接近性。要求虚体和实体不仅要保持几何结构的高度仿真，在状态、相态和时态上也要仿真。值得一提的是，在不同的数字孪生场景下，同一数字虚体的仿真程度可能不同。例如工况场景中可能只要求描述虚体的物理性质，并不需要关注化学结构细节。

（5）闭环性：数字孪生中的数字虚体类似于程序算法加数据结构，数字虚体其实就是一段程序，只是这个程序用于描述和分析物理实体的内在机理，以便对物理实体的状态数据进行监视、分析推理，优化工艺参数和运行参数，实现决策功能，即人们赋予数字虚体和物理实体一个闭环式运转的大脑。

（五）只有“相像”而无“相等”

“Digital Twin”在翻译和理解上颇有不同，歧义发生在数字孪生应用场景中人们对“Twin”的理解上。

在相像程度上，从“生物场景/物理场景”的“Twin”，引申到“数字化场景”的“Digital Twin”，其本意是强调在数字空间构建的数字虚体与物理空间的物理实体非常相像。

“Digital Twin”在翻译和理解上有不同意见，在“Digital Twin”的应用场景中，对“Twin”的理解出现了歧义。“Twin”在英汉词典中几个翻译结果为：“一对双胞胎，双胞胎中的一个；双胞胎，两个相似的人或事物；一张双人床。”

但是，相像归相像，无论彼此多么像，二者也不是“是”、“等于”或“相等”的关系。因为本非同源或同生，一个数字虚体无论多么像一个物理实体，它也不是物理实体——这个客观事实必须界定清楚。

“Digital Twin”描述的“相像”，通常都仅仅是指数字虚体和物理实体在外观和宏观结构上的“相像”，而从形态、质地、行为和发展规律等方面的评价指标来看，其实差异极大，本质本源不同。

“数字双胞胎”一词，较容易引导人们把二者完全等同起来，把“貌似一模一样”误认为“就是一模一样”甚至“相等”，从而形成认知错觉。

（六）数字孪生关系并不止于“双”

即使从“相像”来看，在所指上也并非限于“双”，因为“双”字会把更多的潜在应用场景限制住——彼此相像的虚实映射事物未必只有貌似常见的“一对一”关系，其实还有以下虚实映射对应关系：

（1）“一对多”——一个物理实体对应多个数字虚体（一台汽车发动机可有D/N/S等不同的驾驶挡位，启动/高速/低速/磨合/磨损等不同的工作状态，对此，在车载软件中用不同的参数和软件模型来描述和调控）；

（2）“多对一”——多个物理实体对应一个数字虚体（例如同型号不同尺寸的螺栓或铆钉对应同一个三维CAD模型）；

（3）“多对多”——更为一般化的设备工作场景（例如设计阶段因数字化“构型/配置”不同而产生了系列化物理设备及其数字孪生体，这些设备及其数字孪生体又置身于多种实物工作场景和数字场景）。

（七）需要考虑的特殊对应模式

在一些特殊场景中，数字孪生还存在“一对少”“少对一”“一对零”“零对一”的特殊对应模式：

（1）“一对少”——一个物理实体对应一个高度抽象的数字虚体（例如一辆高铁在调度上对应一个高度简化的数字化线框模型）；

（2）“少对一”——以一部分物理实体对应一个完整数字虚体（例如一个齿轮副对应一个减速箱的“三维CAD模型+力学载荷模型”）；

（3）“一对零”——因为不知其规律、缺乏机理模型导致某些已知物理实体没有对应的数字虚体（例如暗物质、气候变化规律等）；

（4）“零对一”——人类凭想象和创意在数字空间创造的“数字虚体”，现实中没有与其对应的“物理实体”（例如数字创意中的各种形象）。

一架战斗机由数万个结构件、几十万个标准件、大量的电子元器件和机载设备构成。在从飞机的方案设计，到初步设计、详细设计、试制、试验，再到批生产、交付、运行、维护、维修，最后到报废的全生命周期中，一个标准件数字模型会对应成千上万个实物零件，一个实物零件也会对应产品设计模型、多个仿真模型、工艺模型、工艺仿真模型、生产模型、装配模型、维护维修模型等，由此形成了物理实体和数字虚体的多元化对应关系，即“一对一”“一对多”“多对一”“多对多”“一对少”“少对一”“一对零”“零对一”。因此只谈“一对一”就显得在理解上过于简单了。

综上所述，“Digital Twin”一词在翻译和理解时，既不应限定“双”的数量，也不宜理解为一模一样。该词借用“Twin”之意，所表达的是一种数字虚体与物理实体非常相像的多元化虚实映射关系。

了解了数字孪生的特点和对数字孪生不同的理解后，我们可以把握其中的规律，更好地为现实工作服务，推动创新并且即时响应客户需求，带动市场向更高层次发展。

参考文献

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［2］陈龙.数字孪生：为城市和你创造一个虚拟副本［EB/OL］.［2019-06-08］.https：//m.huxiu.com/article/303182.html.

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［4］安筱鹏，肖利华.数字基建：通向数字孪生世界的迁徙之路［M］.北京：电子工业出版社，2021.