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数据驱动【二】数字孪生体的目的和定义

导读：数字孪生体数据派的认识比较独特，工业4.0研究院为了推进数据派的体系，启动了系列

研究。本文翻译自学术论文，作为系列文章之二（参考之一），供行业人士参考。

作为工业4.0研究院探讨数字孪生体数据派工作之一，本文将探讨科学文献中数字孪生体的目的

和定义。这两者是密不可分的，因为数字孪生体通常是通过其预期用途来定义的。

本文的文献综述使用了Scopus数据库。针对标题、摘要和关键词，把数字“孪生体”作为有哪些信誉好的足球投注网站

词，有哪些信誉好的足球投注网站时间为2018年5月7日。有哪些信誉好的足球投注网站结果发现，与该关键词匹配的出版物，发行日期仅限于

2010年-2018年，因为Shafto等人在2010年首次使用了数字“孪生体”一词（Schroeder等人,

2016）。如果仅考虑英文的引用，该出版物被引用的次数在5次或以上。

然而，不排除有些出版物没有收录，因此没有纳入本文的讨论范围。另外，本文的文献综述中

使用的某些出版物虽然未达到最低引用数量的要求，但仍被认为与其它文献相关，例如在其它

论文中引用或同事推荐。

对数字孪生体的第一个定义，可能也是最著名的定义，是Shafto等人（2010,2012）在美国

NASA的一份路线图文档中提出的：

数字“孪生体是对交通工具或系统整合了多物体、多尺度的概率性模拟，它使用最佳的可用物理

模型、必威体育精装版的传感器数据，以及机群历史等来映射对应正在快速运行孪生体的生命状态。”

此外，Shafto等人（2010）指出，数字孪生体整合了传感器数据、维护历史记录和机群数据。

数字孪生体基本上包含了物理孪生体在整个生命周期中制造异常和运行数据等所有可用数据。

除了能够准确反映其物理孪生体的当前状态之外，他们还建议使用数字孪生体来运行模拟仿

真，以预测其对应物理孪生体的未来状态。

以下数字孪生体的应用引用自Shafto等人（2010）的描写：

1)预运行任务。这样可以检查修改任务参数和策略的效果，以减轻运行以外故障的后果。数字

孪生体还可以预测任务成功的的可能性。

2)在任务期间映射物理孪生体的状态，这可以通过运行模拟连续预测物理孪生体的未来状态。

3)分析飞行过程异常的原因。

4)预测飞行过程中修改任务参数的效果。如果由于单个系统故障而需要更改参数，这可以用来

作出最明智的决定。

5)通过模拟仿真验证交通工具。

可以看出，NASA对数字孪生体的愿景主要集中在提高飞行安全性上面。

Tuegel等人（2011）还从航空学的角度研究数字孪生体。数字孪生体被描述为是在几何“细节和

材料细节上是超现实的，包括制造异常情况以及统计上的微观结构水平”。数字孪生体能够充当

虚拟传感器，对从真实传感器获取的数据进行插值。当前，针对每种物理类型都有单独的模型

用于预测飞机的结构寿命，例如计算流体动力学（CFD,ComputationalFluidDynamics）模

型、结构动力学模型（SDM,StructuralDynamicModel）和热力学模型。有了数字孪生体，这

些模型就可以集成在一起。数字孪生体可以与特定飞机的机尾号相关联，使其包含该飞机所有

的有关信息，包括所有主要结构部件的可靠性评估，这样就可以优化该飞机的维护。（Tuegel

等,2011）

在Tuegel（2012）公开发表的另一篇文章中，数字孪生体被呈现为对竣工飞机贯穿终身的超现

实计算模型。数字孪生体由多个集成子模型组成。这些子模型使用最佳的可用物理方法，彼此

共享信息，并在飞机的生命周期内进行更新，从而提高了模型的准确性。飞机数字孪生体可以

对其设计进行虚拟测试、健康状态监控，并预测维护需求。

GlaessgenStargel（2012）强调，数字孪生体代表了车辆或系统的建成版本，并包含了材料

微观结构级别的信息。有关物理结构的信息尺度由小于微米到米，用于创建高保真“物理模型，

以预测车辆的未来状态”。数字孪生体可以完美地反映其相应物理孪生体的状态，并使用超高保

真度模拟来预测物理孪生体的未来可能状态。GlaessgenStargel声称，使用数字孪生模型可

以放弃经验和启发式设计规则，正是这些原有规则导致了使用笨重的结构以及与结构实际可靠

性相关的不确定性。此外，他们声称，由于可以对车辆进行虚拟测试，数字孪生体将彻底改变

验证过程。

Smarslok，Cu