1.5.2 数字孪生应用功能类别

数字孪生的功能可分为四个类别，包括仿真与映射、监控与操纵、诊断与分析、预测与优化。这四个功能可以看作是依次递进的，但也不是绝对的，需要根据不同的应用场景以及应用对象的复杂程度而确定具体的实现功能。

1）仿真与映射。这个可以看作是数字孪生的基本功能。通过产品或系统的模型对其实物运行过程进行仿真分析，得到虚拟产品或系统的运行性能评价，验证设计方案是否满足要求。和传统的仿真不同，数字孪生的仿真包括物理实体实际运行的映射功能。一般而言，数字模型是先于物理实体而存在，例如，产品在制造前，会有数字模型设计方案，一个生产系统在投产前，也有数字化工厂模型进行分析。但是数字孪生会利用相似产品或系统的实际运行数据来对仿真模型进行修正，同时构建一个虚拟环境进行更加拟实的仿真，让仿真的结果更可信。

2）监控与操纵。数字孪生系统中实体物理对象连接虚拟模型，利用虚拟模型来反映物理实体的实际变化。比如可利用虚拟空间中的虚拟模型达到实时监控的目的，将物理实体的隐藏信息以可视化的方式实时展示给用户，实时观察到实体外在表象下的各种内部状态。

3）诊断与分析。就是利用数字孪生技术对产品或系统进行分析，一般是寻找潜在故障或影响性能发挥的缺陷，以便进行维护调整。利用数字孪生体所包含的各种模型，结合实时数据，可以进行异常分析与推断，从而得出诊断结果。

4）预测与优化。这个功能是数字孪生的高级目标，也是体现数字孪生价值所在。通过建立的数字孪生体，在虚拟空间中进行产品或系统的预测仿真，例如预测可能的故障情形，提前做好维护保养。另外，利用数字模型对决策变量进行预运行，根据仿真结果来选择最优的决策变量，在物理系统中实施，可以避免实际操作过程的失误。

这四个功能在实现上是“由虚拟实”“由虚映实”，到“虚实互映”，最后是“由虚控实”，和数字孪生体的演化过程相适应。但是这个过程不是绝对的，对于数字孪生的应用，可以分成两大切入点：

1）由虚切入。在实体存在之前，构建虚拟数字模型，通过虚拟数字模型的仿真来明确实体的实现方案，再结合实体数据采集形成数字孪生系统。例如，产品数字孪生，先构建其产品机理模型进行仿真分析，再制造出实体产品，进行后续的监控、诊断和预测应用。

2）由实切入。对于大量的系统数字孪生，由于在构建系统之前没有虚拟模型，而系统的一部分甚至大部分物理实体已经存在，这个时候需要通过构建虚拟数字模型，实现“监控与操纵”，再根据分析需要，构建不同的仿真模型，进行“仿真映射”“诊断分析”以及“预测优化”的应用。例如，数字孪生城市，可以在实现城市监控的基础上，针对应急疏散、灾害预防等领域，构建仿真分析模型，进行预测优化应用。