作家：华如磋商院 陈敏杰 张柯 

　　一、什么是数字孪生？

　　数字孪生成见佛过梗概20年的发展和演变，当下已成为热门，数字孪生所以建效法真为中枢的一种手艺，也不错称为是建效法真手艺的演化发展，并非对建效法真手艺的取代。在建效法真手艺界限如故存在好多短板和“卡脖子”的情况下，对数字孪生的磋商应建立在建效法真手艺基础上瓜代渐进。探究到数字孪生手艺对建效法真是拓展和激动，以及引出的新的问题，也有必要开展深远磋商，在除名科学客不雅规矩的前提下，争取达成少走弯路和跳动式发展。

　　数字孪生应具有如下三个基本特色，所针对的对象或过程起首具有时分上的宏不雅握续性，随机不雅测和获取系统情景数据，况兼具有在线或及时烦嚣、休养的必要和可能。在这个前提下，通过构建数字孪生体并在其上开展磋商和分析，最终反馈或作用于物理宇宙，是数字孪生成见或联系手艺的前提和责任任务。除此除外的数字化手艺严格意旨来讲王人不行称为数字孪生，举例策动机缓助工程取舍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禁止系统仿真，作战抵拒的策动机兵棋或策动机生成军力等，这些数字化方法王人不错也应当是数字孪生手艺栈的一部分，但需要有新的架构和范式的牵引和考订集成。

　　进一步从数字孪生的磋商对象来看，至少不错分为粗浅系统和有组织的复杂系统（或称为“体系”），所谓粗浅系统是系统的机理是细则的、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，且本人具有不细则、弊端、露出等特色，举例城市、构兵或坐褥制造系统。这两类系统的数字孪生最大的相反是模子和建模方法，其次在系统不雅测和反馈禁止上也有权贵的相反，以致顺利决定工程可达成性，最终体目下不同系统数字孪生构建范式上。

　　二、数字孪生的联系成见

　　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、多要领、多概率的仿真过程，在造谣空间中完成映射，从而反馈相对应的实体装备的全生命周期过程。

　　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、展望物理实体对象的情景，通过性能和情景优化以及指示发送来调控物理实体对象的手脚，通过联统共字模子间的相互学习来进化本人，同期改进利益联系方在物理实体对象生命周期内的决策。

　　MBSE：基于模子的系统工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）是建模方法的面容化应用，以使建模方法支握系统需求、遐想、分析、考证和阐发等行径，这些行径从成见性遐想阶段启动，握续连气儿到遐想开发以及自后的统共寿命周期阶段。

　　X 话语：是一种面向复杂系统支握 MBSE 的新一代一体化建效法实话语，X 话语深度交融现有建模话语 SysML、Modelica 的想想及描摹标准，基于破碎事件系统标准 (Discrete Event System Specification, DEVS)，达成系统架构遐想和物理脾性的一体化建模。

　　LVC：源于军事的一种仿真手艺。"实况-造谣-构造" (Live、Virtual、Constructive, LVC)，Live代表真正的东说念主操作真正的装备，Virtual代表真正的东说念主操作模拟器，Constructive代表纯数字模子，在军事仿真是应用中，宽绰存在以模子西宾、检修刚毅、装备论证和作战实验为想法，将LVC三种形态的实体在合并个场景中集会运行。LVC的面容和很宽绰字孪生的场景特别访佛。

　　模子：模子是对客不雅宇宙中的实体和行径进行抽象而形成的正规化的抒发。模子的抒发面容不错是标志、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、惩处问题、传播理念。

　　三、数字孪生的三个误区

　　比年来，数字孪生手艺在航空航天、工业制造、交通物流等多个行业中被宽泛应用，但各个行业对数字孪生的融会存在着相反，构建数字孪生体也存在着不同的格式。针对数字孪生宽绰存在以下几个误区：

　　01 三维即是数字孪生

　　以为三维即是数字孪生，忽略数字孪生的关键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，可是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

　　以为在与践诺宇宙双向映射的造谣场景中，东说念主们不错禁止物理宇宙中的某些斥地，下达指示即是数字孪生。忽略了数字孪生的缓助决策以致自主决策的作用；

　　03 少见据无模子

　　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面容存在，数据间的关联关系通过主键、外键或者类SQL查询语句建立。这种面容，莫得在数字空间中，对孪生对象建立起举座的架构模子，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专揽模子算法去挖掘出更深线索的逻辑关系。

　　以上几种误区制约着数字孪生联系手艺和应用的发展。

　　四、数字孪生的三种形态

　　数字孪生计在三种形态，分辩是原生、孪生和共生。

　　01 原生

　　物理宇宙中尚未出现或者未成型，需要先在数字空间中构建，从而辅导物理实体或者决议的达成。此时物理宇宙对数字宇宙的映射取舍离线非及时的格式。

　　02 孪生

　　将物理宇宙中温雅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禁止。

　　03 共生

　　数字实体和物理实体不分主次，相互依存，不可偏废。

　　三种形态不存在递进关系，而是把柄不同的应用场景，使用不同的形态。举例原生形态每每应用在复杂家具或者复杂体系的遐想；孪生形态每每应用于园区、场站、工场的运营；共生形态是未来的一种模式，跟着元天地联系手艺和应用慢慢普及，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。

　　系融合词来源于英文system的音译，即多少部分相互磋商、相互作用，形成的具有某些功能的举座。中国著名学者钱学森以为：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举座，而且这个有机举座又是它附属的更大系统的组成部分。从建效法真是角度来看，系统每每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零散系统；每个组成的系统王人有其各自的照顾、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，可是与系统有特别大的辞别，这些辞别王人对数字孪生的达成有着不同的影响。

　　01 结构性

根据近五年财报数据，证券之星估值分析工具显示，准油股份(002207)行业内竞争力的护城河一般，盈利能力较差，营收成长性较差。财务风险可能较大，存在隐忧的财务指标包括：货币资金/总资产率、应收账款/利润率、应收账款/利润率近3年增幅、存货/营收率增幅、经营现金流/利润率。该股好公司指标0.5星，好价格指标1星，综合指标0.5星。(指标仅供参考，指标范围：0 ~ 5星，最高5星)

　　系统的结构是组合关系，其组成成分相对固定，体系的结构是团员关系，跟着外部和里面的变化，会动态休养。

　　02 标的性

　　系统的标的相对明确，不错通过多少许化的想法来进行度量，体系的标的存在一定的不细则性，需要通过行家定性的说明结合定量想法来协同完成，完成标的的评价维度也比拟高。

　　03 复杂性

　　系统和体系王人具有复杂的特色，可是系统的复杂性每每体目下对其物理特征的描摹方面，而体系的复杂性更多的体目下其组成成分的数目多、散布广以及成分的动态团员和手脚露出方面。

　　体系和系统的相反形成对数字孪生的手艺达成有在不同的条目，如表所述。

表1 手艺条目对比

Tab.1  Comparison of technical requirements

　　六、数字孪生的应用场景与老到度

　　数字孪生的应用场景可分为以下三种：

　　01 运营决策

　　专揽物联网、东说念主工智能等手艺，对现有物理斥地或者系统进行集成，不错及时监控运业绩态，用于城市治理、园区（场站）运维、装备故障展望和健康照顾、产线排程转换、运行能耗分析等；

　　02 优化遐想

　　专揽CAX、建效法真、运筹学和东说念主工智能等手艺，开展家具遐想、物流磋磨、工艺和产线遐想等服务；

　　03 培训演练

　　专揽东说念主工智能、造谣践诺等手艺，将使用者带入造谣或虚实结合场景，对济急事件、工艺操作等过程进行反复培训、演练和考察。

　　不同应用场景其敌手艺条目存在相反，在运营决策场景，更温雅的是智能度，能否匡助东说念主们缓助决策；在遐想决策场景，温雅的是真正度，更侧重模拟真正宇宙的真正度；在培训演练场景，是但愿让受训东说念主员参加到更传神的场景，因此更侧重其拟真度。将老到度等第分为三级，具体如表所述。

表 2   老到度等第

Tab.2  Level of Maturity

　　七、“建模-相接-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、相接、度量和优化四个要害的螺旋迭代，构建一个握续的、泰斗的、空洞的，具有强关联结构、动态的、可延长的数字孪生体，不错为分析问题、惩处问题提供真相源。

　　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格式进行抒发；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各式来源的数据、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，通过建立量化想法体系，结合行家说明的定性分析，并取舍仿真手艺和数据采集的技能，解算度量值；终末专揽运筹学、神经采集等技能，对孪生体模子参数进行调优。以上武艺反复螺旋迭代，不错对孪生对象开展多维度、多视点的磋商，为识别规矩、优化遐想、展望演化提供复旧。

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、自动化的关键标志是模子。模子是对客不雅事物的正规化抒发。模子的种类不错分为成见模子、架构模子、算法模子、仿真模子等等。建模是把柄孪生对象的内在机理和外皮环境，以界限元模子为标准，以架构模子视图的面容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，明显、明确的界说了视图模子间的结构和关联。

　　02 相接

　　相接是将第一个要害“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行径。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，莫得架构的敛迹和标准，当数据源或者环境等成分发生变化时，需要在代码层重新联调。本要害是在“建模”的终端上，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，亦然考证、校验和阐发数字孪生体模子的进击武艺。度量是从多个视角，对数字孪生体进行想法遐想、数据生成、数据采集以及挖掘分析的握续定量化过程。想法遐想是指从多个温雅点启航遐想关遐想法和团员的想法体系；数据生成是指仿真引擎转换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；想法解算是将采集的数据按照想法算法解算的过程。

　　04 优化

　　优化是遐想标的函数，专揽运筹学、神经采集等算法模子，通过休养“建模”中的模子参数，从而获取最优或者最适应终端的过程。优化每每取舍定性和定量结合的格式，明确的问题用细则的规矩算法，举例线性磋磨、动态磋磨等，不细则的问题取舍神经采集缓助的格式开展。

　　05 迭代

　　以上四个要害，反复螺旋迭代，想法是构建一个握续的、泰斗的、可提供泰斗真相源的数字孪生体偏激运行环境。

　　八、典型应用场景

　　01 场景一：供应链优化转换-产运销一体化调运优化数字孪生

　　某大型能源企业，靠近能源供应安全、保电保供等本色发愤，以及运载采集会构粗浅抗风险能力较差、东说念主力资源资本较高、供应链业务应用模式与本色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，使企业达成数字化转型、及时化转换，普及供应链采集举座竞争力，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、相接、度量和优化构建其数字孪生体，并优化决议。

　　数字孪生体由煤矿、转运点、货运列车、铁路子、疏浚转换中心、口岸、船舶、电厂、煤家具等组成，每个实体把柄其特征遐想了参数和手脚经过，并建立模子及各个实体间的关系，以及结合企业的运载采集会构、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，联系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相接，在仿真系统中通过专揽羼杂线性计合算法，基于效益最高的标的进行仿真和想法的策动；在优化要害，通过东说念主在回路的格式休养由于算法的问题导致不可履行的部分，进行决议调优。通过反复迭代，最终形成可下发给各个要害的转换任务。经过优化的决议与同比决议经过数学测算，可普及举座利润率。

图 3  铁路运载采集模子

Fig3.  Model of Rail Transportation Network

　　02 场景二：复杂装备遐想-某型舰艇能源安装数字孪生

　　某型舰艇能源安装主要包括泵、阀、换热器、管说念、水箱等、电机、开关、继电器等斥地，是一个波及范围广、范围稠密、系统复杂、手艺密集的进击系统，顺利关系舰艇遂行任务的告成与否。怎样合理遐想联系参数，是舰艇能源安装磋商的主要问题。

　　（1）建模

　　舰艇能源安装模子组件包括可视化组件和斥地模子组件，可视化组件是模子无关的，斥地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，斥地模子组件是一个多专科界限的复合模子，以能源安装为例，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）、禁止组件（禁止器，与门，或门等）、电气模子（电机、开关、继电器等）。

　　（2）相接

　　需要完成的服务东要包括：组件拖放和连线建立。拖放组件在系统中添加现时模子，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

　　舰艇能源安装模子运行过程中，各斥地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斥地的运业绩态，同期系统也会给出斥地的运行趋势，缓助遐想东说念主员对斥地参数进行趋势分析。如下图所示。

图 4  舰艇能源安装模子可视化界面

注：因数据明锐，上图趋势数据为恒定值。

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

　　（4）优化

　　舰艇能源安装的优化问题波及多个斥地、多个子系统的参数寻优，系统提供了G-N法、L-M法、线性磋磨、动态磋磨、神经采集算法等多种优化算法，用户可通过组态裁剪器，不停优化休养模子参数，仿真引擎装载各斥地模子参数，在策动步长内，履行优化算法并进行数据交换，获取的最优或者最适应的终端数据会经过预处理后推上前端。

　　03 场景三：济急模拟演练-化工场挽回演练数字孪生

　　针对某石油化工单元预警展望能力弱、事故成因分析难、济急处置后果低等问题，构建模拟仿真演练数字孪生系统，为斥地预警展望、济急处置演练提供应用场景，通过构建仿真模子、结合装备数据、仿真处置经过，从而完成石油化厂站的济急演练和培训，如下图所示。

图 5化工场济急演练仿真模子

Fig5.  Model of Chemical Plant Emergency Drill 

　　在数字孪生系统缔造中，以安全事故为要点温雅对象，建立工场环境、斥地外不雅、物理机理、经过手脚、处置措施等参数化、全成分的模子；及时接入储罐、设施等运行数据，达成物理实体与造谣实体的映射；通过东说念主在回路的格式在数字空间中驱动模子运行和展现，并对关键想法进行评估和分析；从而缓助开展安全事故济急预案优化，增强东说念主员济急处置能力，普及石化厂注视预警、特情处置的举座水平。

　　九、数字孪生家具先容

　　上述构建各式数字孪生体所使用的仿真器用为华如科技的“TSIM装备数字孪生”系列家具，家具以自主可控的复杂家具融合建模话语“X话语”和基于模子的系统工程（MBSE）为辅导，围绕复杂装备的遐想、制造、测试和运营全生命周期银河酷娱官网在哪，提供体系架构建模、装备造谣样机、运营磋磨仿真、半什物仿真、装备造谣实训等能力。家具在惩处复杂装备的架构遐想与装备制造全周期系统仿真考证方面具备先进性和革命性，是首个将破碎事件仿真、建模话语、智能体建模等手艺用于工业制造的工程化家具，十足自主可控，仿真引擎和散布式中间件的性能处于外洋最初地位。目下家具在核能源、探月工程和政策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、智能制造等发展政策提供手艺复旧。