数字孪生、模拟、仿真

朴灿烈づ我的快乐病毒、 2023-09-23 14:14 33阅读 0赞

近几年随着元宇宙的概念爆火，数字孪生作为实现元宇宙的基础技术被广泛关注。这篇文章就简单介绍一下数字孪生这个概念。

####   什么是数字孪生？(Digital twins) ####

关于数字孪生的定义有不止一种解释，在此选取两个  
  **数字孪生(百度百科)**：数字孪生充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。  
  **数字孪生（论文资料）**：以数字化的方式建立物理实体的多维、多时空尺度、多学科、多物理量的动态虚拟模型来仿真和刻画物理实体在真实环境中的属性、行为、规则等。数字孪生会更强调信息物理融合数据，融合数据完成交互

如果说建模是在物理世界上抽线出一个数学世界，那么数字孪生就在此基础上会在数学世界上重建一个物理世界同时反映物理实体对象的几何、物理、行为、规则及约束的多维动态模型

如果对仿真很熟悉的人会发现数字孪生的定义和仿真的定义很相似。没错，数字孪生也被认为是下一代的模拟仿真技术，将物理空间和数字空间相结合。但了解二者的区别二者是十分有必要的。

####   仿真、模拟 ####

仿真和模拟对应着：simulation和emulation，但具体哪个对应哪个也说法不一。简单陈述下定义  
  **仿真**：将包含了确定性规律和完整机理的模型转化成软件的方式来模拟物理世界的一种技术。只要模型正确，并拥有了完整的输入信息和环境数据，就基本能够正确地反映物理世界的特性和参数。如果说建模是将我们对物理世界或问题理解的模型化，那么仿真就是验证和确认理解的正确性  
  **模拟**：是模拟出原系统的一个抽象模型  
  对此我的看法是不区别二者有什么差别，都是对真实过程的假设运行，可能差别在于输入，仿真输入是假的数据、模拟的输入是真的数据。  
  它们二者存在的意义是没法直接干的事情用仿真或者模拟假装做一下，如果仿真或者模拟的结果不对，说明作用在真实系统上结果也会不对那就修改至正确

但数字孪生和二者是完全不一样的，有一个等式说**数字孪生 = 仿真+评测+数据分析**。我觉得是有道理的，而且相比于虚拟或仿真，数字孪生的价值再后面更能够体现出来。  
  要想将数字孪生和前两者区分开，一定要明确数字孪生的两个特点：**动态性、双向性**  
  **动态性**指需要实时接收物理世界的信息，并反过来驱动物理世界。而且动态性是基本的特征，现在很多成型的系统基本都已动态性为要求，能够实时接受物理世界的数据输入数字孪生系统中。而**双向性**则大多数系统无法具备，无法以将孪生系统中的数据反馈给现实系统来优化现实系统。  
  下面从模型的角度上来考虑数字孪生：  
  先来区别两个概念：数字模型、数字投影  
  **数学模型**：提前建立好，物理实体变化数学模型不变  
  **数字投影**：反应物理实体，物理实体变化数字投影变化。但数字投影变化无法映射回物理实体

而关于数字孪生模型有一个发展的过程：  
  第一代模型：  
![在这里插入图片描述][136147d90fae42f38a174642fb661f24.png]  
  第一代模型着重体现了真实系统和孪生系统的相互传输，通信被认为是其中一个重要的组成部分。  
  第二代模型是北航陶飞等人在第一代基础上做了延申，将三部分结构修改为五部分结构：![在这里插入图片描述][44f18a0b6b774ce8b62403a93956887a.png]  
  如上图所示，五部分分别为：物理实体、虚拟实体、服务、连接、孪生数据。对各部分详细的定义可以去参照陶教授的论文原文：[数字孪生五维模型及十大领域应用 - 中国知网 (cnki.net)][- _ _cnki.net]

在数字孪生首先需要基于物理实体建立一个3D数字模型，其中的方法也是多种多样在此简单陈述几种：GIS建模、航拍建模、BIM建模

数字孪生的发展正如火如荼，希望未来数字孪生能够发挥越来越大的作用。

**因作者水平有限，如有错误之处，请在下方评论区指正，谢谢！**

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[- _ _cnki.net]: https://kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CJFD&dbname=CJFDLAST2019&filename=JSJJ201901001&uniplatform=NZKPT&v=HEpgAltAcr_OPRpnp99m1RXL5Q6-np9cIF_F0zULA79521oNBv8XBfSNmKJaAObp