数字孪生技术的详情分析及应用场景简介.pdfVIP

数字孪生技术的详情分析及应用场景简介

数字孪生好像已经变得无所不在，成为了各行各业各个领域实现数字化的神丹妙药。

2016-2018年，Gartner接连三年将数字孪生列入十大战略科技发展趋势。2019年，

Gartner认为数字孪生处在期望膨胀期顶峰，将在未来5年产生破坏性创新。那么，数字孪

生到底是什么，是一种技术，还是一种思想、方法，或运用模式？

一、数字孪生概念的提出

2002年MichaelGrieves在密歇根大学的演讲中初次提出了PLM（产品生命周期管

理）概念模型，模型中出现了现实空间、虚拟空间、从现实空间到虚拟空间的数据流、从虚

拟空间到现实空间的信息流，以及虚拟子空间的表述。按MichaelGrieves后来的说法，该

模型已经具备数字孪生的所有要素，并在其2006年发布的著作

《ProductLifecycleManagement：DrivingtheNextGenerationofLeanThinking》中，

被称为信息镜像模型。

但在那时候，MichaelGrieves教授提出物理产品的虚拟数字化映射思想，也就是如今

火热的“数字孪生”概念的起源时，并没有获得行业领域内的积极响应。十余载后，数字孪

生获得了各领域人士的热情追捧，不仅在制造业，而且运用到了智慧城市、智慧交通、智慧

农业、智慧医疗、智能家居等各个行业领域。

二、数字孪生技术的初次使用

2010年,NASA（美国国家航空航天局）在其太空技术路线图

（ModellingSimulationInformationTechnologyProcessingRoadmap：

TechnologyArea11）中初次引入了数字孪生的表述。

为了能够更好地理解NASA的数字孪生，先来回顾一段Apollo13登月飞行中发生的

故事。1970年4月14日，Apollo13号宇宙飞船已经远离地球21万英里，生活舱中的一

个氧气罐发生了爆炸，严重地毁坏了主推进器，氧气也被泄漏到太空。时间每过一分钟，受

损的飞船便会飞离地球400英里。怎样才能让三名宇航员安全回家，成为了数千名NASA

地面支持人员在之后三天半时间里日以继夜工作的唯一目标！最终，NASA成功将人类宇航

史上有可能发生的最大灾难，转化为一个令人振奋的巨大成功。

实现这一切的一个关键所在，是在NASA背后有一套完善的、高水准的地面模拟仿真

系统，用于培训宇航员和任务控制人员所需要的全部任务操作，包含各种故障场景的处理。

模拟器是整个太空计划中技术最繁杂的部分内容，在模拟培训中，除了乘员、座舱和任务控

制台，其它所有的一切，全部都是由经验足够丰富的技术人员运用一堆计算机和公式创造出

来的。

任务控制人员和宇航员们，在综合性考虑到飞船受损、可用电力、剩余氧气、饮用水等

因素后，制定了一个史无前例的大胆返还计划，要点如下：重启指令舱将其更改为手动操作

模式（节约宝贵的动力）；运用登月舱作为救生艇（服务舱受损无动力）；途中进行三次发动

机点火变轨（进入自由返还轨道）；手动导航操控飞船（导航计算机省电关闭，节约宝贵的

动力）。但这样的回家模式将远远地超出飞船设计的边界，从来没有人实践过。一旦出现任

何错误，宇航员们就再也没有回家的机会了。

地面任务控制中心将模拟器进行调整，以适配Apollo13目前不同寻常的配置状态，按

质量、重心、推力等参数为这艘新飞船的主机重新进行了编程；并与登月舱制造厂商分工协

作，明确了一个新的着陆全过程；然后安排后备宇航员在模拟器上进行操作演练，证明计划

方案的可行性，极大地提升了任务控制人员与宇航员们的信心。剩下的工作便是宇航员们按

照演练生成的操作指令清单，百分百地执行就可以了。

大家都为Apollo13号宇航员与任务控制人员在事故出现后的从容淡定所钦佩，殊不知

这个是在模拟器上数万小时训练的结果。

NASA的成功应当得益于这些模拟器，或叫仿真器，它们都可以说是数字孪生切切实实

的案例，Apollo13可以看做第一个数字