[论文解读] Revisiting Digital Twins: Origins, Fundamentals and Practices

Jiehan Zhou, Shouhua Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2022

Digital Transformation in Industry被引用 4

一句话总结

本文将数字孪生（DT）重新定义为一种先进的建模与仿真环境，整合了现代信息与通信技术（ICTs）及工程机制，强调生命周期管理、实时传感、几何可视化和预测仿真。文章追溯了数字孪生在虚拟制造和建筑信息建模等既有工程实践中的起源，提出一个三元素模型以澄清其基本原理，并纠正工业界与学术界对其的普遍误用。

ABSTRACT

The Digital Twins (DT) has quickly become a hot topic since it was proposed. It not only appears in all kinds of commercial propaganda, but also is widely quoted by academic circles. However, there are misstatements and misuse of the term DT in business and academy. This paper revisits Digital Twins and defines it to be a more advanced system/product/service modelling and simulation environment that combines the most modern Information Communication Technology (ICTs) and engineering mechanisms digitization, and characterized by system/product/service life cycle management, physically geometric visualization, real-time sensing and measurement of system operating conditions, predictability of system performance/safety/lifespan, complete engineering mechanisms-based simulations. The idea of Digital Twins originates from modelling and simulation practices of engineering informatization, including Virtual Manufacturing (VM), Model Predictive Control (MPC), and Building Information Model (BIM). Based on the two-element VM model, we propose a three-element model to represent Digital Twins. Digital Twins does not have its own unique technical characteristics; the existing practices of Digital Twins are extensions of the engineering informatization embracing modern ICTs. These insights clarify the origin of Digital Twins and its technical essentials.

研究动机与目标

• 澄清学术界与商业领域中对术语‘数字孪生’的混淆与误用。
• 追溯数字孪生在虚拟制造和建筑信息建模等既定工程实践中的历史与技术根源。
• 提出一个三元素模型，以更准确地反映数字孪生的基本组成，超越传统的两元素模型。
• 将数字孪生定义为通过现代ICT技术增强的工程信息化演进，而非一种全新的独立技术。
• 建立一个清晰、具备技术基础的数字孪生定义，以支持其在应用与研究中的统一使用。

提出的方法

• 本文对现有文献与工业应用进行全面回顾，以识别关于数字孪生的反复出现的误解。
• 追溯数字孪生的概念谱系至基础工程实践，包括虚拟制造（VM）、模型预测控制（MPC）和建筑信息建模（BIM）。
• 作者提出一个三元素数字孪生模型，通过引入包含实时数据与仿真的动态反馈回路，扩展了传统的两元素模型（物理系统与数字复制品）。
• 通过系统级分析表明，数字孪生并不具备独特的技术特性，而是现有工程信息化框架在现代ICT技术增强下的延伸。
• 通过对比传统工程仿真系统与现代数字孪生实现，突出其连续性与演进关系。
• 本文采用概念框架，将生命周期管理、实时传感与预测仿真整合为核心属性，作为真正数字孪生的特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 数字孪生真正的技术与历史起源是什么？
• RQ2 为何‘数字孪生’这一术语在学术与商业领域中被频繁误用？
• RQ3 数字孪生与现有的工程仿真与建模实践有何不同？
• RQ4 构成真正数字孪生的核心组件是什么？它们如何被正式结构化？
• RQ5 现代数字孪生实现与既有工程信息化的延伸程度如何？其增强的ICT集成是否构成本质区别？

主要发现

• 数字孪生并非一种新技术，而是虚拟制造、模型预测控制与建筑信息建模等工程信息化实践的演进。
• 术语‘数字孪生’常被误用于任何数字模型或仿真，导致学术界与工业界产生混淆。
• 所提出的三元素模型——物理系统、数字孪生体与实时反馈回路——相较于传统两元素模型，提供了更准确、更全面的表达。
• 数字孪生的特征包括系统生命周期管理、实时传感、几何可视化以及基于工程机制的完整仿真。
• 现代ICT技术与既有工程框架的整合，使数字孪生具备了相关能力，但这些能力并非数字孪生独有。
• 本文结论认为，数字孪生应被理解为扩展既有实践的高级仿真环境，而非独立的创新。