数字孪生技术体系和核心能力整理

最近对数字孪生技术进行了跟踪调研学习，整理形成了调研成果，供大家参考。通过学习，发现数字孪生技术的构建过程其实就是数字孪生体的构建与应用过程，数字孪生体的构建是一个体系化的系统工程，数字化转型的最终形态应该就是数实融合互动互联的终极状态。数实融合是每个行业必答题。数字化转型让数字空间和物理空间的交互普遍和频繁，通过数字空间的计算、分析、推演来优化物理空间，已成为数字化转型重要的方法论，数字化转型相关的标准、技术和应用方面推进数字孪生产业的发展完善。

一、什么是数字孪生

数字孪生是MichaelGrieves 2002年提出，数字孪生是物理对象或过程的数字虚拟表示 。主要以历史数据、实时数据为基础，融合几何、机理、数据驱动等多种数字模型，实现对物理对象的映射感知呈现、分析优化、诊断预测及闭环控制。这些数字表示由物理世界中的传感器获取真实数据提供，这些传感器使用人工智能技术进行处理。也就是说，这些数据允许虚拟地表示真实过程。通过数字孪生可以模拟行为、预测对象或工艺流程等。比如在工业环境中的产品或流程数字孪生。数字孪生类型有组件、资产、系统和流程孪生。

二、数字孪生概念框架图

三、数字孪生的内涵

数字孪生包括一项通用技术、两大孪生空间、三大技术要素、四大功能等级和五大典型特征来表述数字孪生，是一项使能技术，综合运用了感知、计算、建模等信息技术，对物理空间进行表述、诊断、预测、决策，进而实现两个空间的映射和交互。见下图。

四、数字孪生技术体系

主要包括数字支撑技术、孪生构建仿真技术、可视化渲染技术和人机交互技术。

渲染属于建模的后续，属于模型可视化部分，人机交互之前的技术内容。渲染有实时渲染、云端渲染、延迟渲染和本地渲染，主要是前者。
实时渲染：实现边渲染画面边将其输出显示，缺点是受系统负荷能力限制，必要时牺牲画面效果（模型精细、光影真实性、贴图精细度）来满足实时系统的要求，比如Ureal的实时3D视图呈现等。
云渲染：将本来是本地完成的渲染工作迁移到云端服务器，利用云端无限扩充的资源完成渲染，并将处理结果实时推流到终端用户，效果基本一样，极大的降低了终端要求，实现多端高逼真轻量化渲染需求，同时支持云端互动展示，比如云端建造整个平台、城市等。
目前流行的三维引擎架构
B/S架构：基于WebGL封装的渲染库直接进行开发;基于支持H5的3D游戏引擎进行开发，开发完成后打包成WebGL支持的APP。
C/S架构：Unity3D、Unreal Engine

五、数字孪生基座的核心能力

物理世界感知能力、地理信息数据应用能力、数字孪生高效建模能力、数字孪生场景渲染能力、数字仿真能力、虚实交互能力、人机交互能力。

六、数字孪生的典型应用场景

1.数字化设计： 数字孪生+产品创新。数字孪生技术打造产品设计数字孪生体，在虚拟空间进行系统化仿真，实现反馈式设计、迭代式创新和持续性优化。目前，在汽车、轮船、航空航天、精密装备制造等领域，已普遍性展开原型设计、工艺设计、工程设计、数字化样机等形式的数字化设计实践。
2.虚拟工厂或车间管理： 数字孪生+生产制造全过程监管。在虚拟空间打造出映射物理空间的虚拟车间、数字工厂，促进物理实体与数字虚体之间的数据双向动态交互，依据虚拟空间的变化及时调整生产工艺、优化生产参数，提升生产效率。模拟制造过程中的机器设备和物流系统，分析并优化生产效率。
3.远程辅助控制： 数字孪生结合5G技术实现远端画面的实时再现、低时延实时响应，利用数字孪生技术在数千公里外的办公室模拟现场作业，实时操控远程矿车，不仅解决了安全问题，还提高了工作效率，实现了安全员一人多车和灵活切换。再结合远端采集到的环境音视频信息、车辆状况信息、远程控制指令及反馈，模拟驾驶设备等整合成虚拟矿车的数字孪生驾驶环境，大大降低了矿车的安全问题，提升了运行和管理效率。
4.设备虚拟调试和产线调度优化： 在虚拟空间中模拟物理机器运行的数字模型，减少设备真正的调试时间；将运营领域的实时数据直接输入到生产仿真模型中，用于诊断产线问题和预测生产设备性能，为每种调度需求寻找最佳路径，基于强化学习等算法进行优化，更好的实现生产计划优化和资金节约。
5.设备预测性维护： 数字孪生+设备管理。开发设计设备数字孪生体并与物理实体同步交付，实现设备生命周期数字化管理，同时依托于现场数据收集与数字孪生体分析，提供产品故障分析、寿命预测、远程管理等增值服务，增强用户体验，减少运维成本，强化企业核心竞争力。
6.智慧城市： 数字孪生+城市运作管理。建设城市数字孪生体，以定量与定性结合的形式，在数字世界预演天气环境、基础设施、人口土地、产业交通等要素的交互运作，绘制“城市画像”，支撑决策者在物理世界实现城市规划“一张图”、城市难题“一眼明”、城市治理“一盘棋”的综合性效益最优化布局。
7.智慧医疗： 数字孪生+医疗服务。将数字孪生与医疗服务相结合，实现人体运作机理和医疗设备的动态监测、模拟和仿真，加快科研创新向临床实践的转化速度，提升 医疗诊断效率，优化医疗设备质控监管。
具体应用场景案例
1.电子沙盘 ：通过模拟飞行功能总览项目全景、重点地标快速跳转、施工现场漫游，实现足不出户了解工厂生产情况。
2.施工进度管控 ：模拟跟随时间进度变化和实际工程完成情况。
3.物联传感应用 ：通过RFID、UWB、北斗、NB-IOT等新型物联感知网络接入智慧工地内网或者4G或5G公网，提供有线和无线两种接入方案。实现车辆、人员、管片等生产要素的全流程跟踪，实现人员安全定位、无人化数据采集、管片产运存用智能管理等功能。

七、数字孪生的未来发展趋势

1.进一步提升数字孪生模型的精度和复杂度，实现更真实的仿真和预测；
2.加强数字孪生技术与人工智能、物联网等技术的深度融合，构建更智能的数字孪生系统；
3.推动数字孪生技术标准化和应用规范化，支持数字孪生技术在油气行业的广泛应用；
4.可视化呈现将变得更加真实和沉浸式，实现虚拟现实和增强现实技术的融合，带来更多新的应用场景，如虚拟现实的数字孪生模型在培训、仿真和设计领域的应用。