什么是数字孪生？

数字孪生概念是由Grieves M.W在2002年首先提出的，当时被称为“镜像空间模型”；后来，人们也把它定义为“数字孪生” 。它的核心是通过在虚拟对象和真实对象间建立联系，从而对真实世界的种种复杂现象进行仿真和预测；并以再现真实物理世界为目标，使用数字化仿真的数据和模型，实现以多种技术解决方案构成的技术集群等；以及通过构建虚拟目标机的形式，对实际工程系统的实体产品和运行特性进行仿真，使其在不同程度上适应人类对事物发展和变化的应用过程。此方法反映了物理实体产品对应的整个生命周期

数字孪生技术的作用

数字孪生最重要的任务是构建和物理世界同等价值的数字模型。它能够完成对物理实体的仿真与分析，并根据其工作时的实时反馈对物理对象的工作状态进行监控，还可以通过改进数字模型的仿真分析算法，对物理对象的后续运行和改进方案提供更加精确的决策依据。从而实现和物理对象一样的高准确度、高可靠性等性能指标，达到在项目的全生命周期中，全面提升产品的总体性能。

数字孪生技术的应用场景

随着人们对数字孪生技术的不断重视，越来越多的领域都开始引入该技术，于是将数字孪生技术与物联网、大数据、人工智能、云计算等技术集成融合，应用在航空航天、工程设计、医学分析和工程建设等诸多领域。数字孪生技术不仅仅应用于系统的开发、维护以及性能监控等技术，还可以借助虚拟现实技术，给人以身临其境的感觉，从而更多地激发用户创造价值的能力，影响到整个系统体系的形成。

在航空航天领域，美国国家航空航天局使用数字孪生技术对空间飞行器进行仿真分析、监测和预测空间飞行器的飞行状态，从而辅助地面控制人员做出正确的决策。在运载火箭的安全系统中，使用数字化手段对火箭的发射流程进行了三维仿真，采用虚拟引擎建模、仿真测试、多源数据处理以及孪生数据处理等技术，实现了对火箭起飞过程中的仿真、干涉检查和安全性分析，从而提高其发射的可靠性。

在复杂建筑领域，通过数字化扫描的方法，将物理空间的施工情况映射到数字空间中，通过数字孪生镜像来校验物理空间的施工是否达到设计要求，以便于检测可能出现的偏差，以及高效准确地监管复杂建筑施工的全过程，从而避免了施工误差的出现，保障了整个工程周期的可靠性和高效性。

 数字孪生与仿真技术的结合

数字孪生主要通过功能模拟、数据分析等手段模拟物理实体的形态，利用数字孪生模型寻求方案的最优解，再根据最优解获得的决策从虚拟空间反馈到真实物理空间，从而可以对物理实体进行优化，并演化对应的数字模型，实现了真实物理空间与虚拟数字空间的连续循环迭代。所以，数字孪生所要使用的模拟属于高频次、不断迭代演进的，而且伴随产品的全生命周期，并以此为基础，实现数字孪生的保真性、实时性和闭环性等特点。

仿真技术是将包含了确定性规律的模型转化成仿真软件的方式，对物理世界的进行模拟的方式，目的在于依靠合适的模型、完整的数据以及有效的信息，体现出物理世界的属性和特征。仿真技术已经广泛应用于各领域之中，尤其在制造业中发挥着重要作用。但传统仿真技术没有对物理实体进行分析与优化的作用，它们都是以离线的、独立的、特定阶段的方式来模拟物理世界，不具备分析和优化物理实体的功能。

数字孪生技术同仿真技术相比，最大的不同是它更加依赖于数据信息，以及对建立的数字模型和物理实体描述的准确性也有很高的要求，特别是数字空间和物理空间之间的动态交互和虚实融合[25]，而仿真技术能够对虚拟空间中的物理实体进行虚拟映射，是数字孪生作用于数据的基础部分。目前，国内外学者已经开展了大量相关的研究工作，但由于缺乏有效手段来支持对数字孪生中仿真结果的验证，从而使得该领域的研究仍处于起步阶段；不过随着人工智能、云计算等领域的高度发展，大大促进了仿真技术的进步，使数字孪生与仿真技术的结合成为可能。

• 数字孪生驱动虚拟仿真系统的理论支持

随着科技的不断进步，传统的仿真技术已经无法满足人们的需求，因此需要将数字孪生技术和仿真技术结合起来，开发出一个由数字孪生技术驱动的虚拟仿真系统变得尤为重要。

创景科技运用数字孪生技术对目标物理实体的内部结构和功能进行全生命周期内数字化仿真，是一个由数字孪生驱动的通用虚拟仿真系统。它模拟出真实目标机在全生命周期内所有的功能和需要执行操作，根据模拟出的结果搭建数字孪生模型，从而保证数字与物理世界的一致性。能够实现对嵌入式计算机软件进行快速全面的系统测试，实现全数字高速闭环仿真运行，适用于各领域的系统级仿真。

• 虚拟仿真系统的应用

虚拟仿真系统采用了数字孪生技术、HIL（硬件在环）半实物仿真技术、基于模型开发技术、系统测试与验证技术及分布式数据总线技术，可广泛应用于高安全性、高可靠性系统研制的各阶段及各种开发模式之中；该系统适用于各阶段的开发、仿真与验证环节。

可以将虚拟目标机与真实物理外设进行连接，外接各类通信板卡实物，采用HIL硬件在环仿真技术对复杂设备控制器的开发与测试过程进行全数字化仿真；然后通过真实通信板卡和仿真工具输出精准数据给HIL硬件在环仿真与测试系统，最后把解析出的测试序列回传给虚拟目标机之中，由此可以使用得到的数据和时序结果，对后续的全数字化虚拟仿真系统进行有效的测试和验证。

由虚拟仿真系统中模拟的虚拟外设下发指令给被控对象模型，待被控对象接收到命令后，再输出数据给图形化界面测试系统，用于数据记录与分析；而后将经过实测的序列以激励的形式回读给虚拟目标机之中，完成虚拟仿真系统与外部系统之间的闭环联合调试；其中所有功能组件都通过封装的数字软总线进行通信与调度，最终实现基于虚拟仿真系统的全数字化仿真验证，适合于在系统研制后期对系统得出的实验结果进行分析与验证，以及在系统交付后的维护与调优。