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科普中国

作者

海里的咸鱼

监制

中国科普博览

你听过“扁鹊三兄弟”的故事吗？

据说，魏文王曾经求教于名医扁鹊：“你们家兄弟三人，都精于医术，谁是医术最好的呢？”扁鹊说：“大哥最好，二哥差些，我是三人中最差的一个。”魏文王表示不解，扁鹊说到：“大哥治病是在病情未发作前就下药铲除病根；二哥是在病情刚显现之前就解决症状；我是在病情十分严重之时，用大手术或者以毒攻毒使病人病情得到缓解或者很快治愈，所以我名闻天下，但其实我的医术是最差的。”

这个道理在工业界也是通用的，即在事故未发生之前排除隐患，能够最大程度保障人们的生命财产安全。

工业界有一个著名的海因里希法则，工业安全工程师海因里希在他的《工业事故预防》一书里提到：在1件重大的安全事故背后，必有29件轻度的事故，还有件潜在的隐患。如果在事故发生之前，抓住时机，及时消除不安全因素，就能够避免许多重大的伤亡事故。

那么谁能在事故出现前解决隐患呢？数字孪生。

什么是数字孪生？

数字孪生（digitaltwin）技术出现的目的之一就是为了防患于未然，在事故发生之前就解决掉事故隐患。

年，NASA给出了数字孪生的概念描述：数字孪生是指充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多尺度的仿真过程，它作为虚拟空间中对实体产品的镜像，反映了相对应物理实体产品的全生命周期过程。

这个概念看起来复杂难懂，但我们看看它的应用就能明白了。

航空发动机是飞机上的重要器件，它的稳定和正常运行，对于确保飞行安全极为重要。航空发动机制造商们，为了有效地检测发动机的运行状态，为其创建了数字孪生。

工程师首先会在电脑里创建发动机的精确虚拟副本。然后，他们在真实世界中为发动机安装各种传感器以收集数据，这些传感器收集到的数据会实时传输给计算机中的数字孪生。

这时只要在虚拟世界中运行发动机，就能模拟在真实世界中的情况。经过长时间的虚拟运行，工作人员就能收集发动机的运行方式并了解其在什么时候需要维护。

正在测试中的发动机，真实世界中无法模拟所有情况，在电脑中却不成问题丨图片来源：TheU.S.NationalArchives

这样，在现实中我们也就能预防性地对航空发动机进行维护，从而大大减少飞机常规的停机维护时间。

不仅如此，在计算机中的运行中，工程师还能测试各种极端、突发条件下的发动机运行情况，这些条件在真实世界中可能很难模拟。这样就能加深对机器的理解，并提高其在各种条件下的可靠性。

数字孪生从何而来？

数字孪生之前，在计算机里对真实世界的物体进行建模和分析的技术早就存在了，并且发展的非常成熟，在各领域得到了广泛的应用。

数字孪生在各个领域都有广泛的应用，图中为海上石油平台的数字孪生丨图片来源：Wikipedia-SumitAwinash

比如在工程领域，如果要修一座桥，这座桥要怎么设计才能够达到最强的承重效果呢？先在仿真软件里建立模型，不断优化模型，然后根据优化好的模型在现实中修建桥梁。

计算机仿真技术是数字孪生技术出现的基础，数字孪生和仿真模型的区别在于数字孪生具有演化性。数字孪生会不断接收实际物体的各类信息，实时调整状态，努力达到与实际物体实时对应的状态。

根据数字孪生提供的信息，电脑发出指令，实时调整物理世界机器的运行参数，以达到最佳运作状态丨图片来源：德勒大学出版社

再举一个与我们生活更相关一点的例子。每台汽车仪表盘上的发动机转速表有一个红区，它表示如果发动机的转速达到这个区间，很可能会出问题，这个红区在汽车的整个生命期间是不变的。

但实际情况是，每辆汽车的使用情况不同，有的汽车保养良好，发动机转速达到红区也没问题；有的汽车使用情况比较糟糕，发动机转速还没达到红区就已经出故障了。

如果汽车上的发动机能够有一个数字孪生，在虚拟世界和发动机同步运行，那么发动机的红区就能根据数字孪生运行的情况来实时做出改变，大大降低发动机出故障的可能性。

DavidGelernter在年的著作Mirrorworlds(《镜像世界》)预见了数字孪生这一概念。年，美国空军研究室首次明确提到了数字孪生，他们希望把战斗机的维护工作进行数字化，而数字孪生就是他们提出的解决方案。

美国空军在F35战斗机上布置大量的传感器，将传感器收集到的数据传输给预先建立的数字模型，模型将随着数据而实时的产生变化，精确的模拟出战斗机的实际状态。

F35是现在世界使用广泛的新一代战机丨图片来源：IsraeliAirForce

美国通用电气公司在帮助空军研制F35战机的数字孪生时，也对这一概念产生了极大的兴趣，并在后续不断投入资金进行研究。截至年，通用公司宣称他们已经为自己生产的每个引擎、每个涡轮、每台核磁共振都创造了对应的数字孪生。

计算机的快速发展，使得我们有能力去处理来自物理实体的海量数据，机器学习、AI的涌现使得建立极其复杂的虚拟模型从天方夜谭变为可能。传感器的海量应用、高精度数字模型的建立、物理实体与虚拟模型的数据交互是数字孪生的存在基础。

我们会拥有自己的数字孪生吗？

每个人都是独一无二的，不同于现代制造业流水线生产的产品，人类是极其复杂的。随着技术的发展，智慧医疗的概念被提出并受到了越来越多的

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