作家：华如推敲院 陈敏杰 张柯 网络赌博举报平台

　　一、什么是数字孪生？

　　数字孪生倡导佛过约莫20年的发展和演变，当下已成为热门，数字孪生所以建师法真为中枢的一种期间，也不错称为是建师法真期间的演化发展，并非对建师法真期间的取代。在建师法真期间领域已经存在许多短板和“卡脖子”的情况下，对数字孪生的推敲应建立在建师法真期间基础上次第渐进。计议到数字孪生期间对建师法真实拓展和鼓动，以及引出的新的问题，也有必要开展深切推敲，在罢黜科学客不雅法令的前提下，争取扫尾少走弯路和绝顶式发展。

　　数字孪生应具有如下三个基本特色，所针对的对象或过程滥觞具偶然刻上的宏不雅合手续性，好像不雅测和获取系统情状数据，况兼具有在线或及时搅扰、诊疗的必要和可能。在这个前提下，通过构建数字孪生体并在其上开展推敲和分析，最终反馈或作用于物理寰球，是数字孪生倡导或推断期间的前提和劳动任务。除此以外的数字化期间严格真谛来讲皆不成称为数字孪生，举例计较机缓助工程聘用数字化技能对系统结构、电磁、热的分析，系统仿真中的弹说念仿真和限度系统仿真，作战反抗的计较机兵棋或计较机生成军力等，这些数字化方法皆不错也应当是数字孪生期间栈的一部分，但需要有新的架构和范式的牵引和雠校集成。

　　进一步从数字孪生的推敲对象来看，至少不错分为圣洁系统和有组织的复杂系统（或称为“体系”），所谓圣洁系统是系统的机理是礼服的、不错用数学方程加以描摹的，举例航天器；有组织的复杂系统无法用数学方程描摹，且本人具有不礼服、无极、知道等特色，举例城市、干戈或坐褥制造系统。这两类系统的数字孪生最大的各异是模子和建模方法，其次在系统不雅测和反馈限度上也有显耀的各异，致使平直决定工程可扫尾性，最终体当今不同系统数字孪生构建范式上。

　　二、数字孪生的推断倡导

　　数字孪生：Digital Twin（数字双胞胎），也被称为数字映射、数字镜像。是充分利用物理模子、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多范例、多概率的仿真过程，在捏造空间中完成映射，从而反馈相对应的实体装备的全人命周期过程。

　　数字孪生体：数字孪生体是现有或将有的物理实体对象的数字模子，通过实测、仿真和数据分析来及时感知、会诊、预计物理实体对象的情状，通过性能和情状优化以及指示发送来调控物理实体对象的动作，通过推断数字模子间的相互学习来进化本人，同期改进利益推断方在物理实体对象人命周期内的决策。

　　MBSE：基于模子的系统工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）是建模方法的体式化应用，以使建模方法支合手系统需求、假想、分析、考据和证明等步履，这些步履从倡导性假想阶段驱动，合手续联结到假想开发以及其后的所有寿命周期阶段。

　　X 言语：是一种面向复杂系统支合手 MBSE 的新一代一体化建师法真言语，X 言语深度和会现有建模言语 SysML、Modelica 的念念想及描摹范例，基于闹翻事件系统范例 (Discrete Event System Specification, DEVS)，扫尾系统架构假想和物理秉性的一体化建模。

　　LVC：源于军事的一种仿真期间。"实况-捏造-构造" (Live、Virtual、Constructive, LVC)，Live代表真确的东说念主操作真确的装备，Virtual代表真确的东说念主操作模拟器，Constructive代表纯数字模子，在军事仿真实应用中，渊博存在以模子西席、磨砺刚劲、装备论证和作战实验为方针，将LVC三种口头的实体在归拢个场景中合股运行。LVC的体式和好多半字孪生的场景极端不异。

　　模子：模子是对客不雅寰球中的实体和步履进行抽象而形成的正规化的抒发。模子的抒发体式不错是标记、图形、文本、数学公式、几何结构等等。模子的作用是匡助东说念主类分析问题、处理问题、传播理念。

　　三、数字孪生的三个误区

　　比年来，数字孪生期间在航空航天、工业制造、交通物流等多个行业中被世俗应用，但各个行业对数字孪生的理解存在着各异，构建数字孪生体也存在着不同的表情。针对数字孪生渊博存在以下几个误区：

　　01 三维即是数字孪生

　　合计三维即是数字孪生，忽略数字孪生的枢纽作用是分析复杂系统，三维视景仅仅结构的可视化，使得东说念主们不雅察孪生对象时有了更直不雅的感受，然则与关于其内在机理的挖掘和推演还有很大距离；

　　02 以虚控实即是数字孪生

　　合计在与实践寰球双向映射的捏造场景中，东说念主们不错限度物理寰球中的某些开拓，下达指示即是数字孪生。忽略了数字孪生的缓助决策致使自主决策的作用；

　　03 独特据无模子

　　在数字孪生系统中，数据存储在关系型数据库或者大数据中，数据大多以二维表的体式存在，数据间的关联关系通过主键、外键或者类SQL查询语句建立。这种体式，莫得在数字空间中，对孪生对象建立起全体的架构模子，也无法形成数据和业务问题间的关联关系，从而无法从数据的角度应用模子算法去挖掘出更深端倪的逻辑关系。

　　以上几种误区制约着数字孪生推断期间和应用的发展。

　　四、数字孪生的三种口头

　　数字孪糊口在三种口头，区分是原生、孪生和共生。

　　01 原生

　　物理寰球中尚未出现或者未成型，需要先在数字空间中构建，从而教唆物理实体或者决策的扫尾。此时物理寰球对数字寰球的映射聘用离线非及时的表情。

　　02 孪生

　　将物理寰球中温煦的实体映射在数字空间中，不错及时或者离线式的进行双向的映射和限度。

　　03 共生

　　数字实体和物理实体不分主次，相互依存，不可偏废。

　　三种口头不存在递进关系，而是笔据不同的应用场景，使用不同的口头。举例原生口头通常应用在复混居品或者复杂体系的假想；孪生口头通常应用于园区、场站、工场的运营；共生口头是翌日的一种模式，跟着元寰宇推断期间和应用慢慢普及，其应用将会越来越多。

　　五、数字孪生的对象

　　数字孪生的对象包括两个维度：系统和体系。

　　系长入词开始于英文system的音译，即多少部分相互推断、相互作用，形成的具有某些功能的全体。中国着名学者钱学森合计：系统是由相互作用相互依赖的多少组成部分结合而成的，具有特定功能的有机全体，而且这个有机全体又是它隶属的更大系统的组成部分。从建师法真实角度来看，系统通常由固定结构的系统或者分系统，为了完成特定标的而组合组成的。

　　体系（System of Systems, SoS）是一个由多个系统组成的特殊系统；每个组成的系统皆有其各自的管制、标的和资源，同期这些系统在体系中进行配合以达成体系的标的。

　　体系天然是由系统组成，然则与系统有极端大的离别，这些离别皆对数字孪生的扫尾有着不同的影响。

美国面临债务违约风险、两党就提高债务上限进行争斗，这些画面在近些年似乎频频上演。那么，引发这一危机的根本——美国债务和债务上限究竟是怎么回事？美国债务为何不断滚雪球般扩大？美国又为何要人为地给债务设定上限？

　　01 结构性

　　系统的结构是组合关系，其组成身分相对固定，体系的结构是团聚关系，跟着外部和里面的变化，会动态诊疗。

　　02 标的性

　　系统的标的相对明确，不错通过多极少化的方针来进行度量，体系的标的存在一定的不礼服性，需要通过巨匠定性的莳植结合定量方针来协同完成，完成标的的评价维度也比拟高。

　　03 复杂性

　　系统和体系皆具有复杂的特色，然则系统的复杂性通常体当今对其物理特征的描摹方面，而体系的复杂性更多的体当今其组成身分的数目多、漫步广以及身分的动态团聚和动作知道方面。

　　体系和系统的各异形成对数字孪生的期间扫尾有在不同的条件，如表所述。

表1 期间条件对比

Tab.1  Comparison of technical requirements

　　六、数字孪生的应用场景与锻练度

　　数字孪生的应用场景可分为以下三种：

　　01 运营决策

　　应用物联网、东说念主工智能等期间，对现有物理开拓或者系统进行集成，不错及时监控运奇迹态，用于城市治理、园区（场站）运维、装备故障预计和健康管制、产线排程调理、运行能耗分析等；

　　02 优化假想

　　应用CAX、建师法真、运筹学和东说念主工智能等期间，开展居品假想、物流打算、工艺和产线假想等劳动；

　　03 培训演练

　　应用东说念主工智能、捏造实践等期间，将使用者带入捏造或虚实结合场景，对救急事件、工艺操作等过程进行反复培训、演练和侦查。

　　不同应用场景其对期间条件存在各异，在运营决策场景，更温煦的是智能度，能否匡助东说念主们缓助决策；在假想决策场景，温煦的是真确度，更侧重模拟真确寰球的真确度；在培训演练场景，是但愿让受训东说念主员参预到更传神的场景，因此更侧重其拟真度。将锻练度品级分为三级，具体如表所述。

表 2   锻练度品级

Tab.2  Level of Maturity

　　七、“建模-连系-度量-优化”的数字孪生体构建范式

　　数字孪生体构建范式的中枢是模子，通过建模、连系、度量和优化四个枢纽的螺旋迭代，构建一个合手续的、泰斗的、概述的，具有强关联结构、动态的、可彭胀的数字孪生体，不错为分析问题、处理问题提供真相源。

　　该方法以基于模子的系统工程方法（MBSE）将孪生的物理对象用模子的表情进行抒发；然后建立起模子和模子间、数据和数据间、模子和数据间、模子和物理事件间的关联，从而不错成体系的将多样开始的数据、模子整合起来，形成一个描摹孪生对象的动态的数字实体；在该基础上，通过建立量化方针体系，结合巨匠莳植的定性分析，并聘用仿真期间和数据采集的技能，解算度量值；终末应用运筹学、神经集聚等技能，对孪生体模子参数进行调优。以上范例反复螺旋迭代，不错对孪生对象开展多维度、多视点的推敲，为识别法令、优化假想、预计演化提供撑合手。

图 1 数字孪生构建范式

Fig1.  Paradigm of DT Construction

　　01 建模

　　数字化有别于信息化、自动化的枢纽象征是模子。模子是对客不雅事物的正规化抒发。模子的种类不错分为倡导模子、架构模子、算法模子、仿真模子等等。建模是笔据孪生对象的内在机理和外皮环境，以领域元模子为范例，以架构模子视图的体式对孪生对象进行描摹和抒发，建模的产出物是一组体系模子视图，明晰、明确的界说了视图模子间的结构和关联。

　　02 连系

　　连系是将第一个枢纽“建模”的输出：体系模子视图，与仿真模子、数据和物理传感器建立起映射关系的步履。传统的虚实映射，更多的是通过数据接口或者API接口建立起关联关系，莫得架构的敛迹和范例，当数据源或者环境等身分发生变化时，需要在代码层重新联调。本枢纽是在“建模”的遣散上，将架构模子和仿真模子、数据源、传感器等进行关联，当发生变化时，不错直不雅在模子视图上进行更新。

　　03 度量

　　度量是对数字孪生体的多维度的、量化的特征抒发，亦然考据、校验和证明数字孪生体模子的遑急范例。度量是从多个视角，对数字孪生体进行方针假想、数据生成、数据采集以及挖掘分析的合手续定量化过程。方针假想是指从多个温煦点启程假想关联方针和团聚的方针体系；数据生成是指仿真引擎调理模子产生数据的过程；数据采集是指从仿真系统或者物理传感器中征集数据的过程；方针解算是将采集的数据按照方针算法解算的过程。

　　04 优化

　　优化是假想标的函数，应用运筹学、神经集聚等算法模子，通过诊疗“建模”中的模子参数，从而取得最优或者最稳妥遣散的过程。优化通常聘用定性和定量结合的表情，明确的问题用礼服的规则算法，举例线性打算、动态打算等，不礼服的问题聘用神经集聚缓助的表情开展。

　　05 迭代

　　以上四个枢纽，反复螺旋迭代，方针是构建一个合手续的、泰斗的、可提供泰斗真相源的数字孪生体过甚运行环境。

　　八、典型应用场景

　　01 场景一：供应链优化调理-产运销一体化调运优化数字孪生

　　某大型能源企业，濒临能源供应安全、保电保供等骨子发愤，以及运载集聚结构圣洁抗风险能力较差、东说念主力资源资本较高、供应链业务应用模式与骨子业务需求匹配度不高、供应链运行后果低等诸多问题，需要对其产运销一体化调运系统构建一个数字孪生系统，使企业扫余数字化转型、及时化调理，晋升供应链集聚全体竞争力，提高坐褥后果、运营后果和安全性。该数字孪生系统的应用场景属于运营决策中的供应链优化，按照建模、连系、度量和优化构建其数字孪生体，并优化决策。

　　数字孪生体由煤矿、转运点、货运列车、铁路子、指引调理中心、口岸、船舶、电厂、煤居品等组成，每个实体笔据其特征假想了参数和动作经过，并建立模子及各个实体间的关系，以及结合企业的运载集聚结构、业务流转关系等特征，完成通盘产运销一体化调运优化业务模子及场景模子的配置，推断实体业务模子及场景模子如图2所示。

图 2  装车站点、口岸业务模子

Fig2.  Model of Loading Station and Port Business

　　同期，将实体参数与MIS系统中及时采集的数据进行连系，在仿真系统中通过应用搀杂线性打算算法，基于效益最高的标的进行仿真和方针的计较；在优化枢纽，通过东说念主在回路的表情诊疗由于算法的问题导致不可施行的部分，进行决策调优。通过反复迭代，最终形成可下发给各个枢纽的调理任务。经过优化的决策与同比决策经过数学测算，可晋升全体利润率。

图 3  铁路运载集聚模子

Fig3.  Model of Rail Transportation Network

　　02 场景二：复杂装备假想-某型舰艇能源安设数字孪生

　　某型舰艇能源安设主要包括泵、阀、换热器、管说念、水箱等、电机、开关、继电器等开拓，是一个触及范围广、界限庞大、系统复杂、期间密集的遑急系统，平直关系舰艇遂行任务的奏效与否。怎样合理假想推断参数，是舰艇能源安设推敲的主要问题。

　　（1）建模

　　舰艇能源安设模子组件包括可视化组件和开拓模子组件，可视化组件是模子无关的，开拓模子组件是不错用于组态建模并可在仿真引擎中加载运行的系统模子。针对复杂系统，开拓模子组件是一个多专科领域的复合模子，以能源安设为例，典型的系统组件包括：热工水力组件（泵、阀、换热器、管说念、水箱等）、限度组件（限度器，与门，或门等）、电气模子（电机、开关、继电器等）。

　　（2）连系

　　需要完成的劳动东要包括：组件拖放和连线成就。拖放组件在系统中添加面前模子，组件之间连线描摹了两个组件之间的变量传递关系。

　　（3）度量

　　舰艇能源安设模子运行过程中，各开拓的运行数据及时采集到系统中，可通过可视化界面及时不雅察开拓的运奇迹态，同期系统也会给出开拓的运行趋势，缓助假想东说念主员对开拓参数进行趋势分析。如下图所示。

图 4  舰艇能源安设模子可视化界面

注：因数据明锐，上图趋势数据为恒定值。

Fig4.  Visual Interface of the Ship's Power Equipment model 

　　（4）优化

　　舰艇能源安设的优化问题触及多个开拓、多个子系统的参数寻优，系统提供了G-N法、L-M法、线性打算、动态打算、神经集聚算法等多种优化算法，用户可通过组态裁剪器，束缚优化诊疗模子参数，仿真引擎装载各开拓模子参数，在计较步长内，施行优化算法并进行数据交换，取得的最优或者最稳妥的遣散数据会经过预处理后推上前端。

　　03 场景三：救急模拟演练-化工场救助演练数字孪生

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　　针对某石油化工单元预警预计能力弱、事故成因分析难、救急处置后果低等问题，构建模拟仿真演练数字孪生系统，为开拓预警预计、救急处置演练提供应用场景，通过构建仿真模子、勾通装备数据、仿真处置经过，从而完成石油化厂站的救急演练和培训，如下图所示。

图 5化工场救急演练仿真模子

Fig5.  Model of Chemical Plant Emergency Drill 

　　在数字孪生系统诞生中，以安全事故为要点温煦对象，建立工场环境、开拓外不雅、物理机理、经过动作、处置步骤等参数化、全身分的模子；及时接入储罐、设施等运行数据，扫尾物理实体与捏造实体的映射；通过东说念主在回路的表情在数字空间中驱动模子运行和展现，并对枢纽方针进行评估和分析；从而缓助开展安全事故救急预案优化，增强东说念主员救急处置能力，晋升石化厂退守预警、特情处置的全体水平。

　　九、数字孪生居品先容

　　上述构建多样数字孪生体所使用的仿真器具为华如科技的“TSIM装备数字孪生”系列居品网络赌博举报平台，居品以自主可控的复混居品长入建模言语“X言语”和基于模子的系统工程（MBSE）为教唆，围绕复杂装备的假想、制造、测试和运营全人命周期，提供体系架构建模、装备捏造样机、运营打算仿真、半什物仿真、装备捏造实训等能力。居品在处理复杂装备的架构假想与装备制造全周期系统仿真考据方面具备先进性和翻新性，是首个将闹翻事件仿真、建模言语、智能体建模等期间用于工业制造的工程化居品，统统自主可控，仿真引擎和漫步式中间件的性能处于外洋滥觞地位。面前居品在核能源、探月工程和计谋装备研制中起到国产替代的作用，可为国度数字化转型升级、智能制造等发展计谋提供期间撑合手。