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数字孪生技术与工程实践

第6章数字孪生的智能化应用

数字孪生技术与工程实践

引言

p在SIGGRAPH2021上，英伟达（Nvidia）公司通过一部纪录片自曝：在2021年4月举办的“

英伟达GTC（图形技术大会）发布会”内藏玄机，他们构建了一个英伟达首席执行官兼创始

人黄仁勋（老黄）的“数字孪生体”，出现在视频发布会的部分环节中。

p数字孪生不但可以是真实物理世界的孪生，还可以是“虚拟物理”的孪生，也就是说，可以是

满足物理规律的“另一个世界”的构建。而利用这个“另一个世界”，可以完成许多真实物理

世界中不能完成的工作，或者可以更好地完成这些工作。中科院的王飞跃研究提出的“平行

宇宙”、当下热门的“元宇宙”就是和这个类似的概念。

p基于数字孪生的智能化应用，可以从模型和数据相结合的优化入手来考虑。传统的基于模型的

或者说基于知识的优化，在面向复杂大系统或者巨系统的情况，可能会遇到效率不高、难以实

现等问题；而单纯基于数据的优化，在工业、建筑业等已经拥有大量机理模型和物理、化学等

演变规律知识的学科与行业中，往往事倍功半，容易在数据中迷失方向。数字孪生的优势，在

于基于模型和知识，结合实际系统中采集的数据，融合后进行优化，充分发挥模型和数据各

的优势。

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目录

6.1知识及其表达

6.2模型和数据双驱动的优化

6.3基于数字孪生的机器学习

6.4基于数字孪生的装配优化

6.5基于数字孪生的设备维护

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6.1知识及其表达

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模型和知识

p模型是对现实系统有关结构信息和行为的某种形式的描述，是对系统的特征与变化规律的一种

定量抽象，是人们认识事物的一种手段或工具。

p对于“基于模型”说法中的“模型”一词，是知识的一种体现，通过模型，科学家/工程师把

隐性知识表达成显示知识（如数学模型），或者把隐藏在物理系统中的运行规律用另外一种计

算机可以模拟的方式表达出来（如仿真模型）。从这个意义上说，“基于模型的方法”和“基

于知识的方法”可以是类似的概念。

p知识工程中的形式化模型，包括知识表示模型、知识推理模型，这些模型表述了知识如何在计

算机中存储以及计算机如何处理应用知识。在数字孪生应用中，以知识工程的知识模型管理框

架结合数据智能方法，能很好地构建起“模型+数据”驱动的优化应用系统架构。

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数据和知识

p数据（Data）

n数据是世界的度量和表示，是外部世界中客观事物的符合记录，一般指没

有特定时间、空间背景和意义的数字、文字、图像或声音等。外部客观世

界中的原始资料可以称为数据，其存在不依赖于人类对它是否认知。

p信息（Information）

n数据的关联将产生信息，信息是对数据赋予含义而生成的，是具有特定含

义的彼此有关联的数据。信息来源于数据并高于数据。从数学的观点看，

信息是用来消除不确定的一个物理量。

p知识(Knowledge)

n信息的关联将产生知识，知识是对信息进行加工而形成的，是结构化的、

具有指导意义的信息。人们头脑中数据与信息、信息与信息在行动中的应

用之间所建立的有意义的联系，体现了知识的本质、原则和经验。

p智能/智慧(Intelligent/Wisdom)

n智能是理解知识、应用知识处理问题的能力，表现在知识与知识的关联上，

即运用已有的知识，针对物质世界发展过程中产生的问题，根据获得的知