什么是数字孪生 - 优锘科技

什么是数字孪生

摘要

Digital Twin最近几年比较火,被Gartner连续三年评为热门行业。借助这篇文章,我从Digital Twin的三个方面(由来、组成要素和功能简述)谈谈我对数字孪生的初步认识。

由来

“Digital Twin”的中文名是“数字孪生”,最早于2011年3月被美国空军研究实验室(AFRL,Air Force Research Laboratory)在一次演讲中提出。同时,美国国家航空航天局(NASA)开始关注数字孪生。美国国防部与美国通用电气将数字孪生用到于工业数字化,尝试构建工业互联网体系。

AFRL把数字孪生作为一个创新工具,构建飞机维护数字化,解决飞机维护问题。数字孪生产生初期的核心价值并不是简单的仿真功能。要更好认识数字孪生,先了解下数字孪生的四要素。

四要素

01.模型

虽然仿真模型不是数字孪生的全部,但却是数字孪生的基础和出发点。在真实世界,物体是通过人类的感知器官被识别的,但是计算机并没有人类的感知能力。需要通过数字化建模,建立真实世界物体的数据结构、元数据、功能模型和关键变量,以帮助计算机“认识”真实世界的对象。同样,计算机系统存储的字符型数据也难以被人类直观地认识。人类和计算机之间需要借助虚拟仿真的模型,以建立对真实世界和数据世界的共同认知。

02.数据

模型好比是建筑的框架结构。基于模型,计算机能够识别出该建筑是钢筋混凝土框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构、框架筒体结构或是筒体结构,能够对真实世界的对象进行分类。相同的分类里面存在不同的对象,好比基于同样的结构修建完成的建筑,每栋建筑都是独一无二的。因为,不同的建筑在位置、空间、大小等方面的数据都不会完全相同。需要通过数据,进一步帮助计算机“认识”真实世界的对象。

模型加上数据就构成了数字世界的一个数字化对象。这个对象有外在的表现形式——3D模型,也有内在的信息——数据。

根据不同的来源,数据可以被分为来源于物体自身的数据和来源于相关物体的数据。物体自身的数据是直接依附于该物体的数据,比如长宽高、温湿度、运行状态、告警数据。相关物体的数据是间接数据,指直接依附于由关系物体的数据,比如天气数据、上下游的供应链数据。

根据不同的变化频率,数据可以被分为静态数据和动态数据。静态数据是不会随时变化的数据,比如建筑的位置、高度数据,可以由人工初始定义。动态数据是可能随时变化的数据,比如温度、湿度、压力、运行状态,需要不断地获取最新的数据,可以通过传感器或人工定时获取。

03.映射

 要在数字世界里面模拟真实世界,就需要建立数字对象与真实对象的映射关系。数字化对象与真实对象的映射关系是一对一的,并且是唯一的一对一。有了模型、数据,并且与真实对象映射之后,就为真实世界建立起了一个一模一样的数字世界。用户可以在数字世界里面看见真实世界的对象,包括一模一样的外观、一模一样的空间位置分布、更加显而易见的属性信息和状态信息。

04.接口

通过接口,数字世界可以将模型、数据等内容开放给外部系统,也可以获取外部系统的数据,以实现数字世界系统与外部系统的数据交互。

功能

数字世界被构建起来后,人们可以利用算术模型、大数据分析、人工智能等技术手段,基于海量的真实世界产生的各类数据进行分析和试验,以实现对真实世界未来的预测,或对历史进行再现。

结论

数字孪生的概念被正式提出已有8年时间,已在智慧城市、智慧楼宇、智慧校园、智慧医院智慧仓库、智慧高铁、智慧消防和智慧港口等方面开始应用。它可以帮助人们在计算机系统里呈现一模一样真实世界,改变人们认识和管理世界的方式,甚至辅助人类突破真实世界的束缚,进行前所未有的探索和试验。数字孪生是真实世界物理对象的数字化形态。

 

注释说明:

注1:来源于工业4.0研究院分析

参考文献:

1)“数字孪生体(Digital Twin)是谁提出的?”http://www.360doc.com/content/18/0702/21/22368478_767201704.shtml

2) Gartner,“china_summary_translation_ex_368081”,“magic_quadrant_for_industria_337297”