数字孪生的本质到底是什么

很多粉丝私信我，说我要做某某方向的数字孪生，我该怎么做？对于这种问题呢？我希望你先思考一下，你为什么要做数字孪生，具体要孪生什么，孪生到什么程度，以及要解决什么问题。

其实，孪生模型不是现在才有的概念，我们在青铜时代就开始借助孪生模型来制造青铜器，比如说我国在商周时代铸造青铜器呢是采用框分法和石蜡法，他们就是以模型为基础的。

框分法和石蜡法呢首先选用木头、竹子、蜡这些材料制成青铜器的实物模型，然后再在这个模型的基础上做成柱型，通过向箱内浇入铜液凝固冷却，得到青铜铸器。再比如说雷氏家族对清朝皇室建筑宫殿、皇陵、园林等等，这些建筑通过建筑的烫样，就是我们提到的实物模型，将设计方案变成立体的微缩景观，从而可提前了解建筑效果。这样进行指导实际建造，这些在实际建筑动工之前，按1:100或者1:200比例先制作的汤样，不仅在外观上展示了建筑的样貌，而且体现了建筑的台基、瓦顶、住房门窗等详细的内部结构。

上面提到的例子是孪生模型帮我们进行生产制造，在此之外模型还能帮助我们替代原型的部分功能，比如说秦始皇的兵马俑，就是代替了活人为秦始皇陪葬，真实再现秦军士兵精神面貌，这些兵俑被工匠们用高超的技艺，表现的十分逼真，脸型、眼睛、表情、年龄等各不相同，又活灵活现。

上述实物模型呢，可实现对应物理对象或者功能的复制，但是这类模型存在一定程度的施工局限，比如说在时间尺度上，实物模型主要以静态、在线、外观或结构为主，不能充分体现物理对象对时间的变化特性。在空间尺度上呢，针对大场景的，比如说整个城市、园区，再比如说内部结构复杂的发动机等物理对象，这类实物模型难以完整的刻画。

目前来说，随着计算机、信息网络、通信等技术的成熟和普及应用，人们可以利用数字化技术突破刚刚所提到的时空局限，建立物理对象的数字化模型，从而解决上述问题。

利用计算机图形学技术、虚拟现实技术、增强现实技术，已经实现了在虚拟世界中创建数字化，如圆明园的数字化模型，从而呢再现了圆明园的历史人貌。另外利用全新影像技术复活歌手在舞台上呢演唱表演，观众不仅可以看到和歌手外貌一样的数字化虚拟歌手，还可以听到和歌种一模一样的歌声，实现了对一部人物的虚拟复活。但是呢，这类模型还是存在一定局限性的，无论是上述的辅助制造，或者说进行部分功能替代的实物模型，还是进行数字化展示的数字化模型，对物理对象在多维多施工尺度上的刻画还是不够的。

在此之外呢，它工作和运行过程都是相对独立的，缺乏与对应物理对象的动态交互。随着新一代信息技术的进一步发展和深入落地的应用，人们日益提升的工业和生活需求，对模型提出了能够与物理对象进行交互的要求。我们想知道物理世界不同尺度的时候有什么，正在发生什么，未来会发生什么，预测可能出现的问题，并制定相应的措施，数字孪生在此背景下应运而生，并激起了深刻的产业变革。

按照我们上面提到的模型的发展阶段，数字孪生模型有如下几个等级：第一个等级呢就是几何模型，这个呢是我们最经常提到，也是最容易理解的，这也是很多项目应用最多的，会实现过程可视化、状态监测和回溯等功能，主要就包括外形尺寸、内部结构、空间位置、装配关系的一个孪生，比如说我们提到的BIM，即这模型都归为此类。

第二个等级就是物理模型，那么这个模型就是有一定的物理规则在里面，为实现设备的故障预测、健康管理、质量管控、运行优化等功能，需要构建设备的物理模型来描述物理设备及零部件的力学、电磁学、热力学等属性，解析设备的运行机理。这里面就是我们一直提到的物理仿真模型，包括有限源、零散源模型都归为此类。

第三个等级就是相关的规则，比如说对实现设备的动态规划和自动化运行，并支持人机协作和多机协作，需要构建设备的行为模型来理解设备的动态功能、响应机制、周期性运动模式，抽象描述设备的退化趋势和运维环境的随机扰动。

第四个等级就是实现设备的智能化运维和决策的优化，需要构建设备的规则模型来显性化的表示设备在大数据当中的隐性信息，形式化的表示并集成历史经验、专家知识、领域标准和相关准则。