数字孪生基本概念与入门-上篇
大家好，这一期我们来聊一聊“数字孪生”的基本概念，大家这两年听到一个很火的词“元宇宙（Meteverse)”,数字孪生也伴随元宇宙走入大众视野，从技术名词的角度上来讲，元宇宙是包含数字孪生的，这个也是历史发展的必然，整个世界是数字化的程度到了一定的爆发点，云（云计算）、大（大数据）、物（物联网）、智（人工智能）、移（移动互联网）等多种形式的产业技术革命也不断深度应用到各行各业，数字世界也因为这些技术与同3D互联网、VR、XR的发展以及数字孪生的不断应用，使得数字世界的交互、体验进入到越来越真实的阶段、更可操作的体验产生了一种类似于物理世界的感知交互，会让更多的人更加容易的进入数字空间做越来越多的事情。
究竟什么是数字孪生？它究竟是用来干什么的？
我们先来追溯一下它的历史，元宇宙这个词可以追溯到两部小说，1982年的《神经漫游者》中“赛博朋克空间”(Cyberspace)与1992年的《雪崩》中”超元宇“（中译过来的），当然这两部是科幻小说，与现实中的元宇宙或者数字孪生差距还是比较大的，与现实中相关的一本科技书《Mirro World》翻译过来叫”镜像世界“最早提到了数字孪生物物相连，万物互联，这本书预见了一种软件，它可以用数字模拟来取代现实世界，从而彻底改变计算，改造社会，这个腾讯提到的“全真互联网”概念比较相似。
其中有一个小插曲，《Mirro World》的作者-David Gelernter被读者寄炸弹，David Gelernter的右手和眼睛受到了伤害，原因是这位读者也是科技的狂热爱好者，对《Mirro World》描述的镜像的世界充满担忧，索性就寄了一颗炸弹给-David Gelernter，以此来消灭这个超前的”异类。
根据目前的看到的资料，数字孪生的术语是由迈克尔格里夫教授（Michael Grieves）在美国密歇根大学任教时间首先提出，2002年12月3日他在该校“PLM开发联盟”（PLM:全生命周期管理）成立时的讲稿这个首先提到了数字孪生的概念，2003年他讲授PLM课程时使用的了“Digital Twins（数字孪生）”，2014年他在杜撰写的“数字孪生：通过虚拟的工厂复现实现卓越制造（Digital Twins:ManuFaceturing Excellence Through Virtual Factory Replication)"文章中进行较为详细的阐述，奠定了数字孪生的基本框架。
在航空界和工业界，较早的开始使用数字孪生这个术语。2009年美国空军实验室提出“机身数字孪生（Airframe Digital Twins)”的概念，希望实现战斗机维护工作的数字化，而数字孪生是他们想出来的创新方法。真正提出来的是2011年，NASA开始在技术路线中使用“数字孪生”术语。
约在2014年开始，西门子、达索、通用电气、PTC、ANSYS、ESRI、BENTLEY知名软件公司，都在市场宣传中使用“Digital Twins”术语，并陆续在技术构建、概念内涵上做更多的深入研究和拓展。
数字孪生这个名词也经过了30年的一个演进，从开始的镜像空间，镜像空间模型、信息镜像模型，到数字双胞胎，再普遍接受的数字孪生这个名词，从某种程度上来讲，起名字也关乎一个技术产业的推广的速度以及普及度，比如现在的“云计算”以前就称之为“虚拟化技术”、“共享计算资源”，人工智能中的深度学习技术经历多次浪潮，从20世纪的40年代至60年代的“Cybernetics（控制论)，20世纪80年代到90年代称之为“Connectionism(联接主义）”，直到2006年才以深度学习之名定论（近些年来暂未见新名词）。
从大致的一个数字孪生的发展历程，我们来看一下被广泛接受的数字孪生的概念是什么？
究竟怎么定义它的，不同的行业都有一点不同的区别，而且它的官方定义还是比较复杂的，看看维基百科是这么说的：
数字孪生(Digital Twins)是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史数据、集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟的空间中完成对物理世界的映射，从而反映相对实体制造装备的全生命周期过程。
是不是有点晕，说“人话”，数字孪生就是在在一个设备或系统上，创造一个“数字版的克隆体”。这个克隆体是建立在它被创建的信息化基础上的，即为“本体”到“虚拟体”，说白了，本体的实时状态，还有外界环境条件，都会复现到“孪生体”身上。
数字孪生—为物理实体建立的数字模型，与真实世界的所有要素形成一一映射的关系。数字孪生体是真实世界在虚拟空间的四维投射，是一种虚拟的的实体表达，更好的为设计、制造与运维。
近些年来数字孪生的战略地位也不断地提高，全球IT研究与顾问咨询公司Gartner(高德纳咨询连续三年（2017-2019）将数字孪生列为十大战略科技发展趋势之一；中国工程院发布的《全球工程前沿2020》报告将数字孪生驱动的智能制造列为机械与运载工程领域研究前沿之首；2020年4月份，国家发改委印发的一份《关于推进“上云用数赋智”行动，培育新经济发展实施方案》中，数字孪生技术被多次提及，受关注程度和云计算、AI、5G等一样，上升到国家高度。方案提出要围绕解决企业数字化转型所面临的数字基础设施、通用软件和应用场景等难题，支持数字孪生等数字化转型共性技术、关键技术研发应用，引导各方参与提出数字孪生的解决方案。
究竟是什么的孪生，孪生是用来做什么？
从目的出发，接下来我们从两个维度来讨论一下。
从上面的图上来看不同的阶段作用不同的对象，孪生体是贯穿全生命周期的，这些不同行业的软件其实出现的很早，现在都被装进了数字孪生的概念中
1、数字孪生与工业制造：在传统的工业设计、制造和服务领域，经验往往是一种模糊而难以把握的形式，难以作为准确判断的依据，数字孪生将以前无法保存的专家经验数字化，并提供保存、复制、修改和传输的能力。在这些领域西门子、达索、PTC在数字孪生方面走在前列，在设计与建造过程中都有很深的应用，不管是小的还是大的都属于在工业制造的范畴，这里面有集成电路、机械设备、大型制造装备集成电路等，用数字孪生来验证设计的合理性，已经工艺仿真预测。通过这些拟真的数字化模型，工程师们可以在虚拟空间调试、实验，能够让机器的运行效果达到最佳。
2、数字孪生与GIS：GIS就是在为自然的人造的环境创建三维数字表达空间-“虚拟数字空间”，三维GIS和数字孪生的融合为企业和公众提供了时空大数据的业务应用支持，满足了自然资源、城市、气象、水利等不同行业应用的建设需求，从而构建支持各行业基于时空信息服务构建互联互通无缝协同的业务应用体系。
在GIS方面，系统平台与行业需求深度结合，现已在仿真模拟、土地资产管理、人口信息管理、智慧水务、智慧矿山、智慧城市/园区等行业有了完整的行业解决方案。，比较有代表性的两家公司，国外的esri,国内超图软件（supermap)。
3、数字孪生与BIM：从传统的二维CAD到三维的模型，每个建筑的的物体都是构件化，在软件或则平台中进行设计设计与以及在建造过程中对建筑构件进行统一统一管理，BIM负责智能建造施工,数字孪生使管理这些复杂空间以及公司对它们的所有工作变得更加容易。BIM软件的重点是创建协作设计和建造过程，以及可视化建筑物的物理和功能方面，对实时响应要求低，数字孪生可以为提供有关构建子系统当前状态的信息实时响应，起到一个联接的作用。作为“老牌”建筑软与基础设施软件厂商，AUTODESK与BNETLEY基本上占据全球的大部分市场。
4、组织孪生：这是另外一种声音，组织是非实体工具，是一种逻辑的实体，像组织的架构角色、权限、流程、不是物体对应的实体把它归为组织孪生，这里面企业加架构的方式纳入到“组织数字孪生”，它依靠数据来了解组织如何运作其业务模型、如何与当前状态联系、如何响应变化、如何部署资源以及如何交付预期的客户价值。
因此我们可以看到不同行业对数字孪生的定解读都不是一样的，因为有各种不同的行业我们听到不同的声音，毕竟数字孪生要是把现实世界搬到数字世界，也包括要把我们肉眼看不见的东西，如软件系统、软件服务、组织架构等，所以就构建出不同需求与细分的使用场景，也就带来了不同的应用软件与系统。
我在之前的一篇文章里面提到国内数字孪生的关注点基本是围绕平台建设，相当于上面提到的“复合孪生体”
每一个行业关注的点也不相同的，比如同样做一个数字城市的孪生，规划与设计阶段关注的空间地理的数据，如地理坐标、地形、面积与 体积计算。运维阶段关注的是被数字化连接的物，是物与物的联接、大量的基础设施以及配套设施的管理，比如，灯杆、井盖、巡检车辆、摄像头，他们构成了复杂世界的孪生体。
同样在建筑领域，设计建造阶段BIM关注的是建筑的结构、构件信息、材料信息，然而在运维阶段我们关注的更多是水暖通系统、照明系统、电梯等于日常生活办公相关的系统，BIM的意义在运维阶段就是他的空间结构参考，在运维阶段的意义性就不是很大了。
今天先到这，下一篇我们再谈数字孪生构建的基本要素。欢迎各位，来找我交流探讨。关注我，数字孪生不迷路。
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