2020年9月，第22屆中國國際工業博覽會在上海國家會展中心舉行，博覽會上國家電網首次展示國內首個“會思考”的電網設備數字孿生系統和自主研發的現場試驗輔助決策成套裝置。當前正處在能源革命與數字革命深度融合的交匯點，國家電網主動跨前一步，用數字化手段推動電網向智慧化方向發展，引領數字孿生能源互聯網建設，打造優勢互補、資源共享、互利共贏的數字孿生能源生態圈。

近年來，數字孿生一詞迅速躥紅，成為一個炙手可熱的發展概念。當前，以物聯網、大數據、人工智能等新技術為代表的數字浪潮席卷全球，數字世界的快速發展需要不斷從物理世界汲取養分，物理世界也隨著數字世界發展變得更豐富多彩。在此背景下，數字孿生技術應運而生。

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走進“數字雙胞胎”

2018年史蒂文·斯皮爾伯格執導的《頭號玩家》，在全球上映，影片中現實世界的人類在游戲《綠洲》中存在一個虛擬的自己，人類可以在控制倉中控制虛擬世界中的自己，這大概就是“數字雙胞胎”。

數字孿生（Digital Twin）一詞由美國密歇根大學Michael Grieces教授2003年在他所講授的產品生命周期管理課程引入。簡單地說，數字孿生就是用數字技術模擬、仿真物理對象在現實世界中的行為。

2011年3月，美國空軍研究實驗室在一次演講中，明確提到了數字孿生這一名詞，美國空軍研究實驗室成為了最早提出這一概念的機構；

有材料顯示，同期美國國家航空航天局也開始關注數字孿生體，但后續對數字孿生體體系的搭建研究不夠深入，貢獻有限。反而是美國國防部立刻意識到數字孿生技術將成為重要的工程工具，值得全面研發；與此同時，美國通用電氣（GE）在為美國國防部提供F-35聯合攻擊機解決方案的時候，發現數字孿生技術是工業數字化過程中的有效工程工具，并開始利用數字孿生體系構建工業互聯網體系。

關于數字孿生的定義內涵，國外眾多研究機構和國內的行業專家們都給出不同的見解，下面舉例幾個國內外企業或組織給出的數字孿生定義，供參考。

1、埃森哲：數字孿生是指物理產品在虛擬空間中的數字模型，包含了從產品構思到產品退市全生命周期的產品信息；

2、美國國防采辦大學：數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度的仿真過程，在虛擬空間中完成對物理實體的映射，從而反映物理實體的全生命周期過程。

3、中國航空工業發展研究中心劉亞威：從本質上來看，數字孿生是一個對物理實體或流程的數字化鏡像。創建數字孿生的過程，集成了人工智能、機器學習和傳感器數據，以建立一個可以實時更新的、現場感極強的“真實”模型，用來支撐物理產品生命周期各項活動的決策。

目前尚無業界公認的標準定義，數字孿生的概念還在發展與演變中。

Prof Grieves的數據孿生參考模型中數字孿生由三部分構成：

物理空間的實體產品；

虛擬空間的虛擬產品；

虛實之間的連接數據和信息。

source：Grieves.M(2014)Digital Twin: ManufacturingExcellence through VirtualFactory Replication

NARA和AFRL的數字孿生模式圖示化表示數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真，從而反映相對應的實體的全生命周期過程。

source：The Digital Twin Paradigm forFuture NASA and U.S. Air Force Vehicles

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數據孿生五維模型

2018年北京航空航天大學陶飛教授在上海CIMS大會上做了題為《五維數學孿生模型及十個領域應用探索》的學術報告，報告中指出傳統數字孿生的三維模型已無法滿足現階段技術發展與應用需求，北航數字孿生技術研究小組提出了數字孿生五維模型的概念，以適應新需求。

source:數字孿生五維模型及十大領域應用探索，陶飛

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數據孿生應用探索

從2014年開始，西門子、達索、PTC、ESI、ANSYS等知名工業軟件公司，在市場宣傳中都不約而同使用了“Digital Twin”術語，并陸續在Digital Twin的技術構建等方面做了很多深入研究和拓展。

Gartner公司更是連續三年（2016-2018年）將數字孿生列為當年十大戰略科技發展趨勢之一。世界上最大的武器生產商洛克希德馬丁公司2017年11月將數字孿生列為未來國防和航天工業6大頂尖技術之首。

數字孿生正在成為眾多跨國企業業務布局的新方向。

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數字孿生工業應用

基于模型、數據、服務等方面的優勢，數字孿生已廣泛被全球各行業、各背景、各層次的專家、學者和企業研究與應用，目前數字孿生在制造領域開展了較多的應用探索和落地實踐，但在航空航天、電力、汽車、智慧城市、健康醫療等領域也具有廣闊的應用價值和應用前景。

source：：【數字孿生】數字孿生十問：分析與思考，北京航空航天大學，自動化科學與電氣工程學院，數字孿生研究組

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智慧城市：數字孿生+虛擬城市

通過建設城市數字孿生體，以定量與定性結合的形式，在數字世界推演天氣環境、基礎設施、人口土地、產業交通等要素的交互運行，繪制“城市畫像”，支撐決策者在物理世界實現綜合效益最優化的布局。

source：賽迪，中國電子信息產業發展研究院，數字孿生白皮書（2019年）

目前已經開始實施的數字孿生城市項目是虛擬新加坡（Virtual Singapore），虛擬新加坡(Virtual Singapore)由NRF(新加坡國家研究基金會)和Dassault Systems（達索）合作開發，包含靜態和實時數據，解決城市能耗、廢物處理、社區導航、交通規劃、疾病傳播等問題。

圖片來源于網絡

2014年-2016年期間虛擬新加坡項目已完成城市空間初步數據采集，包括地理信息、城市設施(公交站、路燈、交通信號燈、高架橋)

隨著城市數字模型的擴充與發展，數字孿生技術將覆蓋城市的每條電力線、變電站、污水系統、供水和排水系統、城市應急系統、Wi-Fi網絡，高速公路，交通控制系統等所有看見或看不見的地方。

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智慧醫療：數字孿生+醫療服務

達索、海信等公司嘗試將數字孿生與醫療服務相結合，實現人體運行機理和醫療設備的動態監測、模擬和仿真，可加快科研創新向臨床實踐的轉化速度、提高醫療診斷效率、優化醫療設備質控管理。

source：賽迪，中國電子信息產業發展研究院，數字孿生白皮書（2019年）

達索系統有一個非常著名的項目叫數字心臟（Living Heart），在數字世界構建一個數字孿生的心臟。這項工作的基礎是，通過研究心臟生物學、物理學、化學的作用規律，研究心臟是如何泵送血液，患者口服降壓藥后藥物分子怎么作用于心臟，捕捉心臟如何通過生物電控制每股肌肉纖維產生收縮力，還原復制人類心臟的真實運行，基于對心臟物理、化學、生物規律完全掌握的基礎上，構建一個數字心臟。

圖片來源于網絡

數字心臟已經在臨床上創造了許多新的價值，一是數字心臟能夠提高心臟手術質量、降低手術風險；二是數字心臟在開展各類心臟臨床醫學的教學教研中有著至關重要的作用；三是加快了改進藥物、醫療器械設計等許可通過的流程。

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智慧電站：數字孿生+電網建設

2019年，國家電網以35千伏蔡倫站為試點，率先打造國內首個“會思考”的電網設備數字孿生系統，利用傳感器采集的高密度實時數據，建立真實設備在虛擬空間中的映射，準確把控設備的實時狀態變化，利用環形驗證、專家知識以及人工智能技術，提供設備遠程運維、設備異常趨勢預警、檢修策略精準決策、設備缺陷精確處置等智慧決策支撐。

蔡倫站數字孿生系統索引頁

蔡倫站數字孿生系統界面

2020年6月，在臨港新片區，博藝站作為首座110千伏數字孿生變電站正式投運，為構建萬物互聯、全面感知、虛實交互的智慧城市按下“快進鍵”。國家電網聚焦張江、臨港兩大國家戰略，逐步將數字孿生系統的支撐范圍推廣至全類型電網設備，推動從數字孿生變電站向數字孿生能源互聯網的跨越升級，為地區經濟社會發展提供“世界會客廳”級的供能保障。

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數據孿生的未來展望

整體來看，數字孿生技術還處于初期環節，要實現成熟運用，還必須克服許多艱難。但能夠肯定的是，在數字時期的將來，數字孿生不僅僅是一項通用使能技術，也將徹底改變大家發現、認知和更新改造世界的方法。雖然目前數字孿生只能在有限的場景中得到應用，但是我們相信，隨著技術不斷演進，精密設備的增加，數字孿生技術應用的場景也會相應增加。

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