數(shù)字孿生是跨越其生命周期的對(duì)象或系統(tǒng)的虛擬表示，從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新，到使用仿真、機(jī)器學(xué)習(xí)和推理來幫助決策。
一、數(shù)字孿生技術(shù)的歷史
1991年，耶魯大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)教授DavidGelernter首次提出了數(shù)字孿生的概念。然而，密歇根大學(xué)MichaelGrieves博士被認(rèn)為是2002年首次將數(shù)字孿生概念應(yīng)用于制造業(yè)，并正式宣布了數(shù)字孿生的軟件概念。最終，美國(guó)國(guó)家航空航天局的技術(shù)專家JohnVickers在2010年引入了數(shù)字孿生這個(gè)術(shù)語。
二、數(shù)字孿生技術(shù)的工作原理
數(shù)字孿生是一種虛擬模型，旨在準(zhǔn)確反映物理對(duì)象。研究對(duì)象（例如風(fēng)力渦輪機(jī)）配備了與重要功能領(lǐng)域相關(guān)的各種傳感器。這些傳感器產(chǎn)生有關(guān)物理對(duì)象性能不同方面的數(shù)據(jù)（例如能量輸出、溫度、天氣條件等），然后將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到處理系統(tǒng)并應(yīng)用于數(shù)字副本。
一旦獲得此類數(shù)據(jù)，虛擬模型可用于運(yùn)行模擬、研究性能問題并帶來可能的改進(jìn)，所有這些都是為了產(chǎn)生有價(jià)值的見解，然后可以將其應(yīng)用回原始物理對(duì)象。
三、數(shù)字孿生技術(shù)的類型
根據(jù)產(chǎn)品放大倍數(shù)的不同，有多種類型的數(shù)字孿生。這對(duì)數(shù)字孿生最大的區(qū)別在于應(yīng)用領(lǐng)域。不同類型的數(shù)字孿生在系統(tǒng)或流程中共存是很常見的。以下通過數(shù)字孿生的類型來了解差異以及它們的應(yīng)用方式。
1、組件孿生/零件孿生
組件孿生是數(shù)字孿生的基本單元，是功能組件的最小示例。零件孿生也大致相同，但屬于不太重要的組件。
2、資產(chǎn)孿生
當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)組件一起工作時(shí)，它們就形成了所謂的資產(chǎn)。資產(chǎn)孿生讓企業(yè)可以研究這些組件的交互，創(chuàng)建大量可以處理的性能數(shù)據(jù)，然后轉(zhuǎn)化為可操作的步驟。
3、系統(tǒng)孿生或單元孿生
下一級(jí)別的放大將涉及系統(tǒng)孿生或單元孿生，這使人們能夠看到不同的資產(chǎn)如何組合在一起形成一個(gè)完整的功能系統(tǒng)。系統(tǒng)孿生提供有關(guān)資產(chǎn)交互的可見性，并可能建議性能增強(qiáng)。
4、過程孿生
過程孿生（放大的宏觀層面）揭示了系統(tǒng)如何協(xié)同工作以創(chuàng)建整個(gè)生產(chǎn)設(shè)施。這些系統(tǒng)是否都同步以最高效率運(yùn)行，或者一個(gè)系統(tǒng)的延遲會(huì)影響其他系統(tǒng)？流程孿生可以幫助確定最終影響整體效率的精確時(shí)序方案。
四、數(shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
1、更好地研發(fā)
使用數(shù)字孿生可以更有效地研究和設(shè)計(jì)產(chǎn)品，并創(chuàng)建大量關(guān)于性能結(jié)果的數(shù)據(jù)。這些信息可以幫助企業(yè)在開始生產(chǎn)前對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行必要的改進(jìn)。
2、更高的效率
即使在新產(chǎn)品投入生產(chǎn)之后，數(shù)字孿生也可以幫助鏡像和監(jiān)控生產(chǎn)系統(tǒng)，著眼于在整個(gè)制造過程中實(shí)現(xiàn)和保持最高效率。
3、處理工作壽命結(jié)束的產(chǎn)品
數(shù)字孿生甚至可以幫助制造商決定如何處理工作壽命結(jié)束的產(chǎn)品，并需要通過回收或其他措施進(jìn)行最終處理。通過使用數(shù)字孿生，他們可以確定能夠回收哪些材料。
五、數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用
數(shù)字孿生技術(shù)已廣泛用在以下應(yīng)用場(chǎng)合中：
1、智慧實(shí)驗(yàn)室
數(shù)字孿生技術(shù)的迅猛發(fā)展，為當(dāng)代智能化實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。通過數(shù)字孿生結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)技術(shù)，建設(shè)智慧實(shí)驗(yàn)室環(huán)境設(shè)施管理平臺(tái)，集成實(shí)驗(yàn)室子系統(tǒng)通過可視化技術(shù)呈現(xiàn)各專業(yè)狀態(tài)及數(shù)據(jù)，其對(duì)建筑的節(jié)能降耗、安全性能和系統(tǒng)運(yùn)行有效性的提高以及可視化展示等方面具有積極的意義。
2、發(fā)電設(shè)備
大型發(fā)動(dòng)機(jī)（包括噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)車發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電渦輪機(jī)）從數(shù)字孿生的使用中受益匪淺，特別是在幫助建立定期維護(hù)的時(shí)間表方面。
3、物理結(jié)構(gòu)及其系統(tǒng)
大型建筑物或海上鉆井平臺(tái)等大型物理結(jié)構(gòu)可以通過數(shù)字孿生進(jìn)行改進(jìn)，尤其是在設(shè)計(jì)過程中。也可用于設(shè)計(jì)在這些結(jié)構(gòu)內(nèi)運(yùn)行的系統(tǒng)，例如HVAC系統(tǒng)。
4、制造業(yè)務(wù)
由于數(shù)字孿生旨在反映產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，因此數(shù)字孿生在制造的各個(gè)階段無處不在，指導(dǎo)產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到成品以及其間的所有步驟也就不足為奇了。
5、醫(yī)療保健服務(wù)
正如可以通過使用數(shù)字孿生對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析一樣，接受醫(yī)療保健服務(wù)的患者也可以采用數(shù)字孿生。相同類型的傳感器生成數(shù)據(jù)系統(tǒng)可用于跟蹤各種健康指標(biāo)并生成關(guān)鍵見解。
6、汽車行業(yè)
汽車是許多類型的復(fù)雜、協(xié)同工作的系統(tǒng)，數(shù)字孿生廣泛應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)中，既可以提高汽車性能，也可以提高生產(chǎn)效率。
7、城市規(guī)劃
土木工程師和其他參與城市規(guī)劃活動(dòng)的人員可以通過使用數(shù)字孿生得到了極大的幫助，數(shù)字孿生可以實(shí)時(shí)顯示3D和4D空間數(shù)據(jù)，還可以將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)納入建筑環(huán)境。
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