数字孪生拟态建模方法研究论文

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一、数字孪生发展背景

“孪生”的概念起源于美国国家航空航天局的“阿波罗计划”，即构建两个相同的航天飞行器，其中一个发射到太空执行任务，另一个留在地球上用于反映太空中航天器在任务期间的工作状态，从而辅助工程师分析处理太空中出现的紧急事件。当然，这里的两个航天器都是真实存在的物理实体。

2003年前后，关于数字孪生（Digital Twin）的设想首次出现于Grieves 教授在美国密歇根大学的产品全生命周期管理课程上。在该设想中数字孪生的基本思想已经有所体现，即在虚拟空间构建的数字模型与物理实体交互映射，忠实地描述物理实体全生命周期的运行轨迹。

直到2010 年，“Digital Twin”一词在NASA 的技术报告中被正式提出。近年来，数字孪生得到越来越广泛的传播。同时，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，数字孪生的实施已逐渐成为可能。

现阶段，除了航空航天领域，数字孪生还被应用于电力、船舶、城市管理、农业、建筑、制造、石油天然气、 健康 医疗、环境保护等行业。特别是在智能制造领域，数字孪生被认为是一种实现制造信息世界与物理世界交互融合的有效手段。

二、数字孪生的定义及典型特征

（1）标准化组织中的定义 数字孪生是具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达，该数据连接可以保证物理状态和虚拟状态之间的同速率收敛，并提供物理实体或流程过程的整个生命周期的集成视图，有助于优化整体性能。 （2）学术界的定义 数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助 历史 数据、实时数据以及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段a。 （3）企业的定义 数字孪生是资产和流程的软件表示，用于理解、预测和优化绩效以实现改善的业务成果。

三、数字孪生特征

保真性：数字孪生的保真性指描述数字虚体模型和物理实体的接近性。要求虚体和实体不仅要保持几何结构的高度仿真，在状态、相态和时态上也要仿真。 实时性：数字孪生技术要求数字化，即以一种计算机可识别和处理的方式管理数据以对随时间轴变化的物理实体进行表征。表征的对象包括外观、状态、属性、内在机理，形成物理实体实时状态的数字虚体映射。 互操作性：数字孪生中的物理对象和数字空间能够双向映射、动态交互和实时连接，因此数字孪生具备以多样的数字模型映射物理实体的能力，具有能够在不同数字模型之间转换、合并和建立“表达”的等同性。 闭环性：数字孪生中的数字虚体，用于描述物理实体的可视化模型和内在机理，以便于对物理实体的状态数据进行监视、分析推理、优化工艺参数和运行参数，实现决策功，即赋予数字虚体和物理实体一个大脑。因此数字孪生具有闭环性。

四、数字孪生与仿真技术的区别

仿真技术是应用仿真硬件和仿真软件通过仿真实验，借助某些数值计算和问题求解，反映系统行为或过程的模型技术，是将包含了确定性规律和完整机理的模型转化成软件的方式来模拟物理世界的方法，目的是依靠正确的模型和完整的信息、环境数据，反映物理世界的特性和参数。仿真技术仅仅能以离线的方式模拟物理世界，不具备分析优化功能，因此不具备数字孪生的实时性、闭环性等特征。

数字孪生需要依靠包括仿真、实测、数据分析在内的手段对物理实体状态进行感知、诊断和预测，进而优化物理实体，同时进化自身的数字模型。仿真技术作为创建和运行数字孪生的核心技术，是数字孪生实现数据交互与融合的基础。在此基础之上，数字孪生必需依托并集成其他新技术，与传感器共同在线以保证其保真性、实时性与闭环性。

一、建模目前大部分厂商建模是在特定领域进行开发和熟化，然后在后期采用集成和数据融合的方法将来自不同领域得模型融合。快速三维建模技术分为两种，一种是基于倾斜摄影的三维建模，适用于大区域环境模型的构建，另外一种是基于三维激光点云数据辅助的逆向建模，适用于单体建筑、设备的逆向建模。数字孪生应用案例及常用技术二、三维视频融合三维视频融合技术是虚拟现实技术的一个分支，或者说是虚拟现实的一个发展阶段。三维视频融合技术指把一个或多个由摄像机图像序列视频和与之相关的三维虚拟场景加以匹配和融合，生成一个新的关于此场景的动态虚拟场景或模型，实现虚拟场景与实时视频的融合。这种融合不会随着对三维模型的倾斜、旋转等操作而产生错位，充分发挥出三维场景的直观特点。视频融合后，还可以进行一些高级管理，比如球机追视功能，可以使用鼠标在三维画面上点击目标，比如一辆行进的车或一个人，最近的球机会自动锁定并跟踪人或车。三、人工智能在数字孪生应用中，需要在虚拟空间对现实物理映射做到多概率的仿真，这就离不开算法模型和人工智能的开发。非常复杂的设计模型放到神经网络中，借助深度学习可以把高自由度的模型削减为低自由度且仍能够提供我们所需要的模型能力。从原理上来说，所有物理映射的虚拟必须进行模拟，这些模拟非常耗时耗力。而使用人工智能可以高效的选择可用性最高的仿真选项。数字孪生应用案例及常用技术四、云渲染云渲染是将3D程序放在远程的服务器中渲染，用户终端通过Web软件或者直接在本地的3D程序中点击一个“云渲染”按钮并借助高速互联网接入访问资源，指令从用户终端中发出，服务器根据指令执行对应的渲染任务，而渲染结果画面则被传送回用户终端中加以显示。云渲染技术解放了时间和空间的限制，只要网络允许，在任何空间和时间内都可以实现随时随地操作服务器上的程序，查看效果，方便做各种演示和决策。因为实时云渲染技术的运用，可以支持多并发，尤其是围观模式更适合参与人数更多的场景下使用。数字孪生应用案例及常用技术五、高性能计算数字孪生系统复杂功能的实现在很大程度上依赖其背后的算力平台，实时性是衡量数字孪生系统性能的重要指标。因此如何考量系统搭载的计算平台的性能、数据传输网络的时间延迟及云计算平台的算力能力，设计最优的系统计算架构，满足系统实时性分析要求，是应用数字孪生的重要内容。平台算力的高低直接决定系统的整体性能