數(shù)字孿生技術(shù)，作為現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界的橋梁，正逐漸成為工業(yè)4.0和智能制造的核心。它通過(guò)創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬副本，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體的全面監(jiān)控、預(yù)測(cè)和優(yōu)化。

最近因?yàn)橐o客戶(hù)設(shè)計(jì)工廠(chǎng)可視化大屏，包含設(shè)備展示與管控，涉及到數(shù)字孿生。從而和大家一起探討一下，什么是數(shù)字孿生？有什么價(jià)值和特點(diǎn)？有哪些應(yīng)用及案例？

一、數(shù)字孿生

數(shù)字孿生，英文名叫Digital Twin（數(shù)字雙胞胎），也被稱(chēng)為數(shù)字映射、數(shù)字鏡像。

工信部2020版《數(shù)字孿生白皮書(shū)》中定義：

數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬實(shí)體，借助歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、以及算法模型等，模擬、驗(yàn)證、預(yù)測(cè)、控制物理實(shí)體全生命周期過(guò)程的技術(shù)手段。

▲ 數(shù)字孿生

直白一些的理解就是，在一個(gè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，創(chuàng)造一個(gè)數(shù)字版的“克隆體”。

其中最重要的兩個(gè)部分是物理實(shí)體和虛擬實(shí)體。

物理實(shí)體可以是任何事物，例如機(jī)器、設(shè)備、建筑、城市、生態(tài)系統(tǒng)等；虛擬實(shí)體，即是數(shù)字化模型，是基于物理實(shí)體的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行建模，包括幾何形狀、結(jié)構(gòu)、材料、運(yùn)行狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)等。

虛擬實(shí)體可以對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行仿真、預(yù)測(cè)、驗(yàn)證、控制、優(yōu)化等操作。

數(shù)字孿生最早起源于美國(guó)航天局阿波羅計(jì)劃。

在這個(gè)計(jì)劃中，構(gòu)建了兩個(gè)相同的航天飛行器，一個(gè)用于太空?qǐng)?zhí)行任務(wù)，另一個(gè)則留在地球。

留在地球的【孿生模型】用于實(shí)時(shí)反映太空中航天器的狀態(tài)，針對(duì)在太空?qǐng)?zhí)行任務(wù)飛行器的各種情況做更好的模擬、反饋、演練、跟進(jìn)、調(diào)整，極大地提升了太空任務(wù)的安全性和可靠性。

▲ 數(shù)字孿生

數(shù)字孿生體構(gòu)建在信息化平臺(tái)上，會(huì)隨著物理實(shí)體傳感器反饋的數(shù)據(jù)及歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行有規(guī)則的聯(lián)動(dòng)。

即是物理實(shí)體的實(shí)時(shí)狀態(tài)和外界環(huán)境條件，都會(huì)復(fù)現(xiàn)到數(shù)字孿生體上。

同時(shí)，也支持通過(guò)數(shù)字化孿生體來(lái)控制物理實(shí)體，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。

更重要的是，需要對(duì)物理實(shí)體有設(shè)計(jì)改動(dòng)，可以先在孿生體上進(jìn)行“實(shí)驗(yàn)”，不僅避免對(duì)物理實(shí)體的影響，也可以提高效率、節(jié)約成本。

二、價(jià)值和特點(diǎn)

在設(shè)計(jì)創(chuàng)新領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)可以在虛擬環(huán)境中對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行模擬和測(cè)試，從而避免在實(shí)際操作中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤和故障。

可以設(shè)計(jì)高鐵、火箭、宇宙飛船；可以升級(jí)飛機(jī)、衛(wèi)星、空間站；可以創(chuàng)新人形機(jī)器人、無(wú)人飛機(jī)…

在生產(chǎn)制造領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)可以輔助制造商在虛擬環(huán)境中對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行多次迭代和優(yōu)化，從而確保最終產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。同時(shí)，數(shù)字孿生還可以幫助制造商優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率。

可以迭代硬盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，2T、5T的硬盤(pán)再也不是磚頭大??；可以更新芯片設(shè)計(jì)，優(yōu)化制造流程，盡量減少高端芯片卡殼的限制，在保住大量市場(chǎng)的情況下為高端芯片的突破提供基礎(chǔ)；可以模擬無(wú)人工廠(chǎng)、無(wú)人倉(cāng)儲(chǔ)，進(jìn)一步提升制造、物流效率…

在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物理實(shí)體的狀態(tài)，并根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)。這可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在故障，避免設(shè)備停機(jī)和生產(chǎn)中斷，從而降低維護(hù)成本和提高設(shè)備的可用性。

可以將重點(diǎn)、核心設(shè)備數(shù)字孿生化，遠(yuǎn)程、準(zhǔn)實(shí)時(shí)監(jiān)控；可以設(shè)備故障上報(bào)自動(dòng)化，設(shè)備異?？焖偕蠄?bào)，縮短信息傳遞時(shí)間，減少現(xiàn)場(chǎng)業(yè)務(wù)中斷；可以趨勢(shì)分析、匯總統(tǒng)計(jì)，總結(jié)故障先兆，對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)…

▲ 數(shù)字孿生車(chē)間

數(shù)字孿生具有以下幾個(gè)典型特點(diǎn)：

• 保真性 ：保真性是指描述數(shù)字虛體模型和物理實(shí)體的接近性，要求虛體和實(shí)體不僅要保持幾何結(jié)構(gòu)的高度仿真，在狀態(tài)、相態(tài)和時(shí)態(tài)上也要仿真。
• 互操作性 ：數(shù)字孿生中的物理對(duì)象和數(shù)字空間能夠雙向映射、動(dòng)態(tài)交互和實(shí)時(shí)連接。數(shù)字孿生具備以多樣的數(shù)字模型映射物理實(shí)體的能力，具有能夠在不同數(shù)字模型之間轉(zhuǎn)換、合并和建立“表達(dá)”的等同性 。
• 可擴(kuò)展性 ：數(shù)字孿生技術(shù)具備集成、添加和替換數(shù)字模型的能力，能夠針對(duì)多尺度、多物理、多層級(jí)的模型內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展。
• 實(shí)時(shí)性 ：數(shù)字孿生技術(shù)要求數(shù)字化，以一種計(jì)算機(jī)可識(shí)別和處理的方式管理數(shù)據(jù)以對(duì)隨時(shí)間軸變化的物理實(shí)體進(jìn)行表征。表征的對(duì)象包括外觀(guān)、狀態(tài)、屬性、內(nèi)在機(jī)理，形成物理實(shí)體實(shí)時(shí)狀態(tài)的數(shù)字虛體映射。
• 閉環(huán)性 ：數(shù)字孿生中的數(shù)字虛體，用于描述物理實(shí)體的可視化模型和內(nèi)在機(jī)理，以便于對(duì)物理實(shí)體的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視、分析推理、優(yōu)化工藝參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)決策功能，即賦予數(shù)字虛體和物理實(shí)體一個(gè)大腦。

▲ 數(shù)字孿生閉環(huán)

三、應(yīng)用及樣例

數(shù)字孿生的應(yīng)用非常廣泛，包括但不限于制造業(yè)、智慧城市、航空航天、醫(yī)療健康等領(lǐng)域：

• 在制造業(yè)中，數(shù)字孿生可以用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)流程優(yōu)化、設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)等方面；
• 在智慧城市中，數(shù)字孿生可以用于城市規(guī)劃、交通管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面；
• 在航空航天領(lǐng)域，數(shù)字孿生可以用于飛機(jī)設(shè)計(jì)、飛行模擬、故障預(yù)測(cè)等方面；
• 在醫(yī)療健康領(lǐng)域，數(shù)字孿生可以用于患者診斷、手術(shù)模擬、藥物研發(fā)等方面。

▲ 數(shù)字孿生應(yīng)用

在制造業(yè)中，數(shù)字孿生技術(shù)使得生產(chǎn)過(guò)程更加自動(dòng)化和智能化。通過(guò)集成物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)，制造商可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能控制。這樣，制造商可以減少對(duì)人工干預(yù)的依賴(lài)，降低人為因素導(dǎo)致的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。

▲ 數(shù)字工廠(chǎng)案例

為改善臨港新片區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，解決配電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)，國(guó)網(wǎng)上海浦東供電公司擬在臨港新建馬廠(chǎng)、博藝、洋山、順浩、浩通、春景、鵬翔、川榿等共計(jì)8座110千伏變電站。

作為第一座試點(diǎn)變電站，博藝站從建設(shè)之初就以“數(shù)字孿生變電站”為建設(shè)理念，在打造的三維變電站模型基礎(chǔ)上，融入實(shí)體變電站運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)信息，并在變電站設(shè)計(jì)之初就以移交運(yùn)行使用的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建造、驗(yàn)收、投運(yùn)，在投運(yùn)后可以同步顯示實(shí)體變電站的所有信息。

▲ 110千伏博藝站

實(shí)體變電站建設(shè)的同時(shí)，一座“拷貝不走樣”的數(shù)字變電站也在同步建設(shè)，投運(yùn)后，這對(duì)“孿生兄弟”一個(gè)在實(shí)地，一個(gè)在遠(yuǎn)端，一個(gè)負(fù)責(zé)實(shí)際供配電，一個(gè)體現(xiàn)錯(cuò)綜復(fù)雜的數(shù)據(jù)。

110千伏博藝站數(shù)字孿生系統(tǒng)的建成具有劃時(shí)代的意義，實(shí)體變電站、數(shù)字孿生系統(tǒng)的同步投運(yùn)不僅突破了傳統(tǒng)變電站的局限性，使變電站不再是從前冷冰冰的建筑和設(shè)備，而是具有思考和交互功能的數(shù)字智慧鏡像，實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行人員的互動(dòng)和交流，降低運(yùn)維用人成本，進(jìn)一步提升智能化水平與安全生產(chǎn)能力。

數(shù)字孿生技術(shù)作為一種創(chuàng)新性的數(shù)字化工具，通過(guò)構(gòu)建物理對(duì)象的數(shù)字映射，實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)同步，集成了物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能、大數(shù)據(jù)等多種前沿技術(shù)，能夠?qū)ξ锢硎澜邕M(jìn)行全方位的仿真和管理。

以此看，數(shù)字孿生是一項(xiàng)非常有潛力的前沿技術(shù)，會(huì)給企業(yè)帶來(lái)豐厚的價(jià)值回報(bào)。

但數(shù)字孿生，既需要深厚的技術(shù)沉淀，也需要巨大的資金投入，還需要管理水平和員工技能達(dá)到相應(yīng)的層次，又需要理性看待。

相對(duì)來(lái)說(shuō)，潛心研究、客觀(guān)評(píng)估、謹(jǐn)慎投入，才是打開(kāi)數(shù)字孿生世界的正確姿勢(shì)。