數(shù)字孿生技術(shù)，作為現(xiàn)實世界與數(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。它通過創(chuàng)建物理實體的虛擬副本，實現(xiàn)對實體的全面監(jiān)控、預(yù)測和優(yōu)化。

最近因為要給客戶設(shè)計工廠可視化大屏，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？有什么價值和特點？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），也被稱為數(shù)字映射、數(shù)字鏡像。

工信部2020版《數(shù)字孿生白皮書》中定義：

數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬實體，借助歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、以及算法模型等，模擬、驗證、預(yù)測、控制物理實體全生命周期過程的技術(shù)手段。

▲ 數(shù)字孿生

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

其中最重要的兩個部分是物理實體和虛擬實體。

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

虛擬實體可以對物理實體進行仿真、預(yù)測、驗證、控制、優(yōu)化等操作。

數(shù)字孿生最早起源于美國航天局阿波羅計劃。

在這個計劃中，構(gòu)建了兩個相同的航天飛行器，一個用于太空執(zhí)行任務(wù)，另一個則留在地球。

留在地球的【孿生模型】用于實時反映太空中航天器的狀態(tài)，針對在太空執(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、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)建在信息化平臺上，會隨著物理實體傳感器反饋的數(shù)據(jù)及歷史運行數(shù)據(jù)來進行有規(guī)則的聯(lián)動。

即是物理實體的實時狀態(tài)和外界環(huán)境條件，都會復(fù)現(xiàn)到數(shù)字孿生體上。

同時，也支持通過數(shù)字化孿生體來控制物理實體，實現(xiàn)遠程操控。

更重要的是，需要對物理實體有設(shè)計改動，可以先在孿生體上進行“實驗”，不僅避免對物理實體的影響，也可以提高效率、節(jié)約成本。

二、價值和特點

在設(shè)計創(chuàng)新領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)可以在虛擬環(huán)境中對物理實體進行模擬和測試，從而避免在實際操作中可能出現(xiàn)的錯誤和故障。

可以設(shè)計高鐵、火箭、宇宙飛船；可以升級飛機、衛(wèi)星、空間站；可以創(chuàng)新人形機器人、無人飛機…

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)境中對產(chǎn)品設(shè)計進行多次迭代和優(yōu)化，從而確保最終產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。同時，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。

可以迭代硬盤結(jié)構(gòu)設(shè)計，2T、5T的硬盤再也不是磚頭大??；可以更新芯片設(shè)計，優(yōu)化制造流程，盡量減少高端芯片卡殼的限制，在保住大量市場的情況下為高端芯片的突破提供基礎(chǔ)；可以模擬無人工廠、無人倉儲，進一步提升制造、物流效率…

在實時監(jiān)測和預(yù)測性維護領(lǐng)域，數(shù)字孿生技術(shù)可以實時監(jiān)測物理實體的狀態(tài)，并根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)進行預(yù)測性維護。這可以及時發(fā)現(xiàn)潛在故障，避免設(shè)備停機和生產(chǎn)中斷，從而降低維護成本和提高設(shè)備的可用性。

可以將重點、核心設(shè)備數(shù)字孿生化，遠程、準(zhǔn)實時監(jiān)控；可以設(shè)備故障上報自動化，設(shè)備異?？焖偕蠄?，縮短信息傳遞時間，減少現(xiàn)場業(yè)務(wù)中斷；可以趨勢分析、匯總統(tǒng)計，總結(jié)故障先兆，對設(shè)備進行預(yù)測性維護…

▲ 數(shù)字孿生車間

數(shù)字孿生具有以下幾個典型特點：

• 保真性 ：保真性是指描述數(shù)字虛體模型和物理實體的接近性，要求虛體和實體不僅要保持幾何結(jié)構(gòu)的高度仿真，在狀態(tài)、相態(tài)和時態(tài)上也要仿真。
• 互操作性 ：數(shù)字孿生中的物理對象和數(shù)字空間能夠雙向映射、動態(tài)交互和實時連接。數(shù)字孿生具備以多樣的數(shù)字模型映射物理實體的能力，具有能夠在不同數(shù)字模型之間轉(zhuǎn)換、合并和建立“表達”的等同性 。
• 可擴展性 ：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，能夠針對多尺度、多物理、多層級的模型內(nèi)容進行擴展。
• 實時性 ：數(shù)字孿生技術(shù)要求數(shù)字化，以一種計算機可識別和處理的方式管理數(shù)據(jù)以對隨時間軸變化的物理實體進行表征。表征的對象包括外觀、狀態(tài)、屬性、內(nèi)在機理，形成物理實體實時狀態(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，用于描述物理實體的可視化模型和內(nèi)在機理，以便于對物理實體的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行監(jiān)視、分析推理、優(yōu)化工藝參數(shù)和運行參數(shù)，實現(xiàn)決策功能，即賦予數(shù)字虛體和物理實體一個大腦。

▲ 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、生產(chǎn)流程優(yōu)化、設(shè)備預(yù)測性維護等方面；
• 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)測等方面；
• 在航空航天領(lǐng)域，數(shù)字孿生可以用于飛機設(shè)計、飛行模擬、故障預(yù)測等方面；
• 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)過程更加自動化和智能化。通過集成物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)，制造商可以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控和智能控制。這樣，制造商可以減少對人工干預(yù)的依賴，降低人為因素導(dǎo)致的資源浪費和環(huán)境污染。

▲ 數(shù)字工廠案例

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)，國網(wǎng)上海浦東供電公司擬在臨港新建馬廠、博藝、洋山、順浩、浩通、春景、鵬翔、川榿等共計8座110千伏變電站。

作為第一座試點變電站，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，融入實體變電站運行中的動態(tài)信息，并在變電站設(shè)計之初就以移交運行使用的標(biāo)準(zhǔn)進行建造、驗收、投運，在投運后可以同步顯示實體變電站的所有信息。

▲ 110千伏博藝站

實體變電站建設(shè)的同時，一座“拷貝不走樣”的數(shù)字變電站也在同步建設(shè)，投運后，這對“孿生兄弟”一個在實地，一個在遠端，一個負責(zé)實際供配電，一個體現(xiàn)錯綜復(fù)雜的數(shù)據(jù)。

110千伏博藝站數(shù)字孿生系統(tǒng)的建成具有劃時代的意義，實體變電站、數(shù)字孿生系統(tǒng)的同步投運不僅突破了傳統(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，實現(xiàn)與運行人員的互動和交流，降低運維用人成本，進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，通過構(gòu)建物理對象的數(shù)字映射，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實同步，集成了物聯(lián)網(wǎng)、云計算、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行全方位的仿真和管理。

以此看，數(shù)字孿生是一項非常有潛力的前沿技術(shù)，會給企業(yè)帶來豐厚的價值回報。

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到相應(yīng)的層次，又需要理性看待。

相對來說，潛心研究、客觀評估、謹(jǐn)慎投入，才是打開數(shù)字孿生世界的正確姿勢。