一文看懂数字孪生！发展历史，技术原理，优劣势及行业应用和未来

数字孪生技术的历史

“数字孪生”这一概念最早是在1991年由David Gelernter出版的《镜像世界》中提出的。到2002年，Michael Grieves博士（当时在密歇根大学任教）首次将数字孪生的概念应用于制造业，并正式宣布了数字孪生软件概念。最终，NASA的John Vickers在2010年提出了一个新的术语--"数字孪生"。

其实，使用数字孪生体作为研究物理对象的手段的核心思想实际上可以在更早的时候被见证。事实上，可以正确地说，美国宇航局在20世纪60年代的太空探索任务中率先使用了数字孪生技术，当时每个航行的航天器都被精确地复制成一个地球上的版本，供美国宇航局的飞行人员用于研究和模拟。

数字孪生如何工作？

数字孪生是一个通过虚拟模型准确反映一个物理对象。例如，一个风力涡轮机，配备了与功能的重要领域相关的各种传感器。这些传感器产生关于机器性能各方面的数据，如能量输出、温度、天气条件等。这些数据会被转发到一个处理系统，并应用到数字副本中。

一旦获悉这些数据，虚拟模型就可以用来运行模拟，研究性能问题同时进行改进，产生有价值的见解，最终应用于原始实物。

数字孪生的类型

根据产品的放大程度，有各种类型的数字孪生，应用的领域各不相同。在这篇文章中，让我们通过数字孪生体的类型来了解它们的区别和应用方式。

1、组件孪生/部件孪生

组件孪生是数字孪生的基本单位，是一个运作中的组件。零件孪生大致上是同样的东西，但涉及的是重要性稍低的组件。

2、资产孪生

当两个或多个组件一起工作时，它们形成了所谓的资产。资产孪生让你研究这些组件的互动，创造大量的性能数据，这些数据可以被处理，然后转化为可操作的结论。

3、系统或单位孪生

下一层次的放大涉及到系统或单元孪生，它使你能够看到不同的资产是如何组合在一起形成一个完整的运作系统的。系统孪生提供了有关资产互动的可见性，并可能提出性能改进的建议。

4、流程孪生

流程孪生是宏观层面的放大，揭示了系统是如何协同工作来创建整个生产设施的。这些系统是否都同步以最高效率运行，或者一个系统的延迟会影响其他系统？过程孪生可以帮助确定最终影响整体效率的精确方案。

数字孪生的优劣势

数字孪生主要有以下三个优势：

• 更好的研发

数字孪生的使用使产品的研究和设计更加有效，创造了大量关于可能的性能结果的数据。这些信息可以帮助公司在开始生产之前对产品进行必要的改进。

• 更高的效率

即使在新产品投入生产后，数字孪生也能帮助反映和监测生产系统，以便在整个生产过程中实现和保持最高效率。

• 减少产品报废

数字孪生甚至可以帮助制造商决定如何处理那些即将报废、需要通过回收或其他措施接受最终处理的产品。通过使用数字孪生，他们可以确定哪些产品材料可以被会收。

虽然数字孪生因其提供的功能而受到重视，但它们的使用并不保证适用于每个制造商或每个产品的创造。不是每个物体都复杂到需要数字孪生所需的密集和定期的传感器数据流。从成本角度来看，也不总是值得投入大量资源来创建一个数字孪生体。另一方面，许多类型的项目确实特别受益于数字模型的使用。

数字孪生应用

• 发电设备

大型发动机（包括喷气式发动机、机车发动机和发电涡轮机）从数字孪生的使用中获益匪浅，特别是建立了定期维护的时间框架。

• 架构极其系统

大型物理结构，如：大型建筑或海上钻井平台，可以通过数字孪生得到改善，特别是在设计期间。

• 制造操作

由于数字孪生是为了反映一个产品的整个生命周期，所以数字双胞胎在制造的所有阶段变得无处不在，指导产品从设计到成品，以及中间的所有步骤，这并不令人惊讶。

• 医疗保健服务

就像产品可以通过使用数字双胞胎进行分析一样，接受医疗服务的病人也可以。同样类型的传感器生成的数据系统可以用来跟踪各种健康指标并产生关键的洞察力。

数字孪生的未来

现有的运营模式显然正在发生根本性的变化。资产密集型行业正在逐渐向数字化转型，以颠覆性的方式改变运营模式，数字孪生对资产、设备、设施和流程提供了一个综合的数字视图。

数字孪生的发展前途无限，这项技术在不断增加认知能力，不断学习新的技能和能力，这意味着他们可以继续产生所需的洞察力，使产品更好、流程更有效率。

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