第1章 数字孪生概述

当前，以物联网、云计算、大数据、人工智能等新一代信息技术为代表的数字浪潮席卷全球，物理世界和与之对应的数字世界（也称“赛博世界”“虚拟世界”）两大体系平行发展、相互作用、共同成长。数字世界为了服务物理世界而存在，物理世界因数字世界而变得高效有序。在这种背景下，数字孪生（Digital Twin, DT）技术应运而生，不仅在航天、航空、电子、船舶、兵器等国防领域获得了广泛的应用，而且在汽车、电力、铁路运输、城市管理、石油天然气等民用领域也引起了极大的关注。

2011年，美国空军研究实验室开发了数字孪生软件AFGROW（Air Force Grow），并将其应用于F-35战机的研制及全生命周期的结构健康监测，F-35战机的数字孪生体如图1.1所示。

图1.1 F-35战机的数字孪生体

2014年，欧洲宇航防务集团将数字孪生技术应用于ARIANE 5重型火箭全生命周期的设计与发射模拟，ARIANE 5重型火箭的数字孪生体如图1.2所示。

图1.2 ARIANE 5重型火箭的数字孪生体

哈尔滨工程大学成功研制了我国首艘数字孪生智能科研试验船“海豚1”，该船装备了我国第一套船舶数字孪生系统，首次建立了船舶数字建模、模型迭代进化、虚实实时交互、在线离线共生、船岸镜像等船舶数字孪生技术体系，实现船舶自主航行和远程操控，“海豚1”数字孪生智能科研试验船如图1.3所示。

图1.3 “海豚1”数字孪生智能科研试验船

此外，美国波音公司的波音777客机也是利用数字孪生技术开发设计的。其整个研发过程涉及300多万个零部件，没有使用任何图纸模型，完全依靠数字仿真来推演，然后直接进行量产。据报道，这项技术帮助波音公司减少50%的返工量，有效缩短了40%的研发周期。洛克希德·马丁公司创建了“数字线”的工作模式，采用数字纽带技术，通过采集实体空间的多源异构动态数据，建立了与现实世界中的物理实体完全对应的数字孪生模型，在虚拟环境中进行仿真、分析和预测实物产品在现实环境中的演进过程和状态。此项技术获得了2016年美国国防制造技术金奖，且被列为2018年顶尖技术之首。此外，法国空客集团也已经在其多个工厂部署数字孪生，在A380客机、A400M运输机的部件装配对接中，可建模并检测数万平方米的空间和数千个对象，通过实时在线检测，将理论模型与实测物理模型数据相关联，实现了基于物理特性实测过程中的制造工艺优化，空客集团A400M运输机部装生产线的数字孪生体如图1.4所示。

图1.4 空客集团A400运输机部装生产线的数字孪生体

保时捷推出了汽车“底盘孪生”技术，通过该技术保时捷可以随时获取有关汽车特定组件的数据，以实现在出现维修问题前进行预测，保时捷跑车的数字孪生如图1.5所示。

图1.5 保时捷跑车的数字孪生

美国通用电气（GE）公司开发了Predix数字孪生平台并应用于迪拜水电局970MW电站L1发电机组，能够实现对燃气轮机运行状态和性能的实时评估和优化，燃气轮机的数字孪生如图1.6所示。

图1.6 燃气轮机的数字孪生

新加坡打造了“虚拟新加坡”（Virtual Singapore）新平台，方便政府、企业和学者利用该平台查询建筑物内部设施，还可以用于城市规划、运行管理和灾害预警。我国雄安新区坚持实体城市与数字城市同步规划、同步建设，搭建起智慧城市的基础框架。通过构建实体城市与数字城市相互映射、协同交互的复杂系统，能够将城市系统的“隐秩序”显性化，更好地尊重和顺应城市发展的自组织规律，雄安新区数字孪生城市如图1.7所示。

图1.7 雄安新区数字孪生城市

中国石油将数字孪生技术融入油气产业链的产品、服务和流程中，启动并实施智能油气田等试点建设，“勘探开发梦想云”平台可实现60余年勘探开发数据的共享应用，数字化、智能化支撑并推动主营业务发展见到新成效，华北油田采油一厂输油作业区数字孪生平台如图1.8所示。

图1.8 华北油田采油一厂输油作业区数字孪生平台