一文让你全面了解数字双胞胎！
什么是数字结对？本文让你全面了解数字双胞胎！结对是一个对象或系统跨越其生命周期的虚拟表示，从实时数据更新到使用模拟、机器学习和推理来帮助决策。
一、数字孪生技术的历史
1991年，耶鲁大学计算机科学教授DavidGelernter首次提出了数字双胞胎的概念。然而，密歇根大学的MichaelGrieves博士被认为在2002年首次将数字孪生的概念应用于制造业，并正式公布了数字孪生的软件概念。最后，NASA 空的技术专家JohnVickers在2010年引入了数字孪生这个术语。但是，用数字双胞胎作为研究实物的手段的核心思想早就有了。实际上可以说，美国国家航空航天局空在20世纪60年代的Tai 空探测任务中率先使用了数字孪生技术，每个航天器都被精确地复制成了当时的同一个模型，由NASA的工作人员用于研究和模拟。
二、数字结对的工作原理
数字孪生是一种虚拟模型，旨在准确反映实物。研究对象配备了与重要功能区相关的各种传感器。这些传感器生成关于物理对象性能的不同方面的数据，然后将这些数据转发给处理系统，并将其应用于数字拷贝。一旦获得此类数据，虚拟模型可用于运行模拟，研究性能问题并带来可能的改进，所有这些都旨在产生有价值的见解，然后可应用于原始物理对象。
第三，数字双胞胎的类型
根据产品放大倍数，数码双胞胎有很多种类型。这对数字双胞胎最大的区别在于应用领域。不同类型的数字双胞胎在系统或流程中共存是很常见的。通过以下类型的数字双胞胎，了解不同之处以及它们是如何应用的。1.组件结对/零件结对组件结对是数字结对的基本单位，也是功能组件的最小示例。孪生部件大致相同，但属于不太重要的部件。2.资产结对当两个或多个组件一起工作时，它们就形成了所谓的资产。资产结对允许企业研究这些组件的交互，创建大量可以处理的性能数据，然后将其转化为操作步骤。3.系统结对或单元结对下一级放大将涉及系统结对或单元结对，这使人们能够看到不同的资产是如何组合起来形成一个完整的功能系统的。该系统提供了对资产交互的可见性，并且可以建议性能增强。4.流程结对流程结对揭示了系统如何协同工作以创建整个生产设施。这些系统都是以最高效率同步运行，还是一个系统的延迟会影响到其他系统？流程结对有助于确定最终影响整体效率的精确时序方案。
第四，数字结对的优势
1.使用数字结对的更好的RD可以更有效地研究和设计产品，并创建大量关于性能结果的数据。这些信息可以帮助企业在开始生产之前对产品进行必要的改进。2.更高的效率即使在新产品投入生产后，数字孪生也可以帮助镜像和监控生产系统，旨在实现并保持整个制造过程的最高效率。3.处理使用寿命结束的产品的数字孪生甚至可以帮助制造商决定如何处理使用寿命结束的产品，最终的处理需要通过回收或其他措施来进行。通过使用数字结对，他们可以确定哪些材料可以回收。
动词 （verb的缩写）数字孪生的应用
数字孪生技术已广泛应用于以下领域:1 .发电设备的大型发动机从数字配对的使用中受益匪浅，尤其是在帮助制定定期维护计划方面。2.物理结构及其系统大型物理结构(如大型建筑或海上钻井平台)可以通过数字孪生进行改进，尤其是在设计过程中。它还可以用于设计在这些结构中运行的系统，例如HVAC系统。3.制造业。由于数字结对旨在反映产品的整个生命周期，数字结对在制造的所有阶段都无处不在。引导产品从设计到成品，以及中间的所有步骤，并不奇怪。4.医疗保健服务正如可以通过使用数字结对来分析产品一样，接受医疗保健服务的患者也可以使用数字结对。相同类型的传感器生成的数据系统可用于跟踪各种健康指标并生成关键见解。5.汽车工业汽车是多种类型的复杂协作系统。数字双胞胎广泛应用于汽车设计中，不仅可以提高汽车性能，还可以提高生产效率。6.城市规划土木工程师和其他参与城市规划活动的人可以通过使用数字结对获得很大的帮助，数字结对可以实时显示3D和4D空数据，还可以将增强现实系统融入到建筑环境中。
近年来，数字结对非常火。数字结对一直被用于工程和建筑，但现在一个新的应用即将出现:应对当前的新冠肺炎疫情和任何未来的疫情。
随着5G、物联网、云计算、数字孪生等新兴技术的发展，以及新的网络服务的出现，网络负载不断增加，网络规模不断扩大。由此带来的网络的复杂性使得网络的运行和维护越来越复杂。同时，由于网络运行的可靠性要求高，网络故障成本高，测试费用昂贵，网络的变化往往牵一发而动全身，新技术的部署变得越来越困难。在讨论数字结对之前，我们先来讨论一下超大规模网络发展所面临的典型挑战:
1)网络灵活性不足。
2)网络新技术研发周期长，部署难度大。
3)复杂的综合网管运维
4)网络优化成本高，风险大。
为了解决上述困难，越来越多的行业和产业重视网络智能化。基于“意向网络”、“自动驾驶网络”、“零接触网络”等概念和技术被业界陆续提出并推广，希望借助智能网络技术实现网络自动化、自主运营的愿景。由digital twin系统构建的物理网络的实时镜像可以增强物理网络所缺乏的系统模拟、优化、验证和控制能力，有助于上述新网络技术的部署，并更有效地处理网络问题和挑战。
将数字孪生技术应用于网络，创建物理空之间的虚拟映像，从而构建数字孪生网络平台。通过physics 空与digital twin技术的实时交互，digital twin网络平台可以帮助网络实现低成本试错、智能决策、高效率创新。数字网络的研究和应用在工业界和学术界还处于起步阶段。
1.数字结对的起源
“孪生”的概念源于NASA 空的阿波罗计划。2003年左右，数字结对的思想首次出现在密歇根大学的产品生命周期管理课程中。直到2010年，NASA的技术报告中正式提出了“数字孪生”一词；2012年，美国国家航空航天局空和美国空陆军联合发表了一篇关于数字结对的论文，重点关注飞机的未来发展。
近年来，随着多学科建模与仿真技术的快速发展，数字孪生技术的研究成为热点。得益于物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的发展，数字结对已成功应用于虚拟样机、数字结对车间、数字结对产业、数字结对卫星、智慧能源、智慧工厂、交通运输、医疗卫生等诸多领域。面向未来的网络发展，伴随着云计算、大数据、人工智能等技术的不断发展和信息的无处不在，数字孪生技术也将更加广泛地应用于人类活动监控和管理、家居生活和科学研究等领域。，使整个社会走向虚拟与现实相结合的“数字孪生”世界。
什么是数字结对？学术界和工业界有不同的定义，通俗的理解可以是:以数字化的方式建立物理实体的虚拟模型，将物理世界数字化，借助历史数据、实时数据和算法模型实现对物理实体的分析、预测、改进和优化，是实时的、闭环的。将分裂的虚拟世界与现实世界结合起来的孪生(Twinning)是尖端科技的下一代发展主题。
Gartner在其关于物联网数字孪生技术的报告中提出，构建一个物理实体的数字孪生需要四个关键要素:模型、数据、监控和唯一性。提出了数字孪生的五维模型{PE，ve，Ss，DD，CN}，其中PE代表物理实体，VE代表虚拟实体，Ss代表服务，DD代表孪生数据，CN代表各部分之间的联系。ISO发布了面向制造业的数字孪生系统框架标准草案，提出了包括数据采集域、设备控制域、数字孪生域和用户域的参考框架。该草案将很快成为数字孪生领域的第一个国际标准。
2.数字双胞胎的定义
业界对数字双网没有统一的定义。本文将“数字双生网络”定义为由物理网络实体和虚拟双生网络组成的网络系统，这些网络实体和虚拟双生网络可以实时交互映射。
在该系统中，各种网络管理和应用可以使用由数字孪生技术构建的虚拟孪生，基于数据和模型高效地分析、诊断、模拟和控制物理实体。根据这一定义，数字结对应该有四个核心要素:数据、模型、映射和交互。
数字孪生是什么意思？1)数据
数据是构建数字孪生可视化的基石。通过建立统一的数据共享仓库作为数字双网的单一事实源，可以高效地存储物理网络配置、拓扑、状态、日志、用户业务等历史和实时数据。，并为数字孪生提供数据支持。
2)模型
号中的模型既包括已知物理对象对应的机理模型，也包括大量数据驱动的模型。其中，“动态”是模型的关键，这意味着这些模型需要具有自我学习和自我调整的能力。
3)绘图
数字虚拟体空中创造的虚拟物与物理实体空中的真实物在形状、状态、纹理、行为、发展规律等方面形成非常相似的虚实映射关系，使得物理孪生与数字孪生具有多样化的映射关系和不同的保真特性。
4)互动
交互是实现虚实同步的关键。数字双胞胎通过标准化接口连接网络服务应用和物理实体系统，完成物理网络的实时信息采集和控制，并提供及时的诊断和分析。
数字孪生系统的概念以及应用基于四要素的网络结对可以借助优化算法、管理方法和专家知识，对物理网络进行全生命周期的分析、诊断、模拟和控制，从而实现物理网络和结对网络之间的实时交互映射，帮助网络以更低的成本、更高的效率和更少的对现有网络的影响部署各种网络应用，帮助网络实现极度简化和智能化的运维。
3.从数字孪生的定义可以看出，数字孪生具有以下典型特征:
**1)互操作性:**数字双胞胎中的实物和数字空可以双向映射，动态交互，实时连接。因此，数字双胞胎具有将物理实体与各种数字模型进行映射的能力，具有能够在不同数字模型之间进行转换、合并和建立“表达”的平等性。
**2)可扩展性:* * Digital twin技术具有集成、添加和替换数字模型的能力，可针对多尺度、多物理、多层次的模型内容进行扩展。
**3)实时:**数字孪生技术要求数字化，即以计算机可以识别和处理的方式管理数据，以表征随时间轴变化的物理实体。表现对象包括外观、状态、属性和内部机制，形成物理实体实时状态的数字虚拟体映射。
**4)高保真度:**数字孪生的保真度是指描述数字虚拟模型与物理实体的接近程度。要求虚拟体和实体不仅要保持高度仿真的几何结构，还要在状态、相位和时态上进行仿真。值得一提的是，在不同的数字双胞胎场景中，同一个数字虚拟体的仿真程度可能会有所不同。例如，在工况场景中，可能只需要描述虚拟体的物理性质，而不需要关注化学结构的细节。
**5)闭环:* * Digital twins中的数字虚拟体用于描述物理实体的可视化模型和内部机理，从而对物理实体的状态数据进行监控、分析和推理，优化工艺参数和运行参数，实现决策功能，即赋予数字虚拟体和物理实体一个大脑。因此，数字孪生是闭环的。
高级的数字孪生版“我的世界数字密钥技术
根据其功能，数字孪生系统可分为四个发展阶段:
数学模拟阶段
在这个阶段，数字结对要准确再现物理空，通过物联网实现物理空和数字空的虚实互动。在这个阶段，数据传输不一定需要完全实时，可以在本地采集数据，在短周期内周期性传输。从物理世界到数字世界的数据输入，以及数字世界到物理世界的主动转换，基本都依赖于物联网硬件设备。
这个阶段主要涉及数字双胞胎的物理层、数据层和模型层，核心技术是建模技术和物联网感知技术。通过三维映射、几何建模、过程建模等建模技术，完成物理对象的数字化，构建相应的机构模型。通过物联网感知接入技术，物理对象可以被计算机感知和识别。
诊断阶段
在这个阶段，数据传输需要实时同步。将数据驱动模型纳入物理世界的精确仿真数字模型，对物理空室进行全周期动态监控，根据实际业务需求逐步建立业务知识图谱，构建各种可复用的功能模块，对涉及的数据进行分析和理解，对已经发生或即将发生的问题进行诊断、预警和调整，实现对物理世界问题的跟踪、分析和诊断功能。
这一阶段的重点是将机制模型与数据分析的数据驱动模型结合起来。除了物联网的相关技术，核心技术将主要应用于统计计算、大数据分析、知识图谱、计算机视觉等相关技术。
学习预测阶段
具有学习和预测功能的数字孪生可以通过结合感知数据的分析结果和动态行业字典进行自我学习和更新，并根据已知的实物运行模式对数字空房间中潜在的未被发现的和可能的未来实物的新运行模式进行预测、模拟和调试。数字孪生在建立了对未来发展的预测后，以人类能够理解和感知的方式，将预测的内容呈现在数字空中。
这一阶段的核心是具有主动学习功能的半自主功能模块，由多个复杂的数据驱动模型组成。这就需要数字双胞胎像人形机器人一样灵活地感受和理解物理世界，然后根据学到的已知知识来推断未知知识。涉及的核心技术集中在机器学习、自然语言处理、计算机视觉、人机交互等领域。
决策阶段
这个阶段的数字孪生基本上可以称之为成熟的数字孪生系统。具有不同功能和发展方向但遵循共同设计规则的功能模块构成了面向不同层次的业务应用能力。这些能力和一些相对复杂而独立的功能模块实现了交互通信，共享数字空中的智能结果。其中，具有“中枢神经系统”处理功能的模块，通过对各种智能推理结果的进一步收集、整理和分析，预测物理世界的复杂状态，并自发提出决策建议和预测转化，根据实际情况不断调整和完善自身系统。
在这个过程中，数据类型变得越来越复杂和多样，并逐渐接近物理世界的核心。同时，必然会出现大量跨系统的异地数据交换，甚至涉及数字交易。因此，除了大数据、机器学习等人工智能技术，现阶段的核心技术还必须包括云计算、区块链、高级隐私保护等技术领域。
