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什么是數(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。數(shù)字孿生尚無業(yè)界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)定義，概念還在發(fā)展與演變中。在百度百科中，初步將數(shù)字孿生定義為充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。

如果你第一次了解數(shù)字孿生，是不是有些懵圈？通俗地說，數(shù)字孿生就是在一個設(shè)備或系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在信息化平臺上為其創(chuàng)造一個虛擬的、數(shù)字版的“克隆體”，這個克隆體，就被成為“數(shù)字孿生體”。

或許你會說，這不就是把設(shè)備、系統(tǒng)CAD圖紙給3D化了嗎？現(xiàn)在有很多制圖軟件都可以實現(xiàn)這個功能，有什么新鮮的？

相比傳統(tǒng)的3D設(shè)計圖，數(shù)字孿生體最大的特點是它是對實體對象的動態(tài)仿真，也就是說，數(shù)字孿生體是會跟隨實體對象的變化而變化的。而“變化”的依據(jù)，來自實體對象上傳感器所反饋的數(shù)據(jù)以及本體運行的歷史數(shù)據(jù)。

圖1 數(shù)字孿生原理示意圖

02 

數(shù)字孿生的發(fā)展歷程

2003年，數(shù)字孿生最初是在格里夫斯的產(chǎn)品生命周期管理（PLM)執(zhí)行課程中提出，他將其定義為三個維度，包括一個“物理實體”、一個“數(shù)字對應(yīng)物”和一個將兩部分聯(lián)系在一起的“連接”。

2010年，美國宇航局在《建模、仿真、信息技術(shù)》草案中詳細(xì)闡述了航天飛行器數(shù)字孿生的定義和功能，“一個綜合的多物理場、多尺度的飛行器或系統(tǒng)模擬，使用最佳可用的物理模型、傳感器數(shù)據(jù)更新、歷史數(shù)據(jù)等來反映其相應(yīng)壽命”。

2011年，美國空軍探索了數(shù)字孿生在飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康管理中的應(yīng)用。在國內(nèi)，中國航空工業(yè)集團(tuán)第一飛機(jī)研究院（簡稱“一飛院”）在21世紀(jì)初開發(fā)的飛豹全數(shù)字樣機(jī)與已經(jīng)服役的飛機(jī)形成了簡明意義上的“數(shù)字孿生”（盡管當(dāng)時沒有這個術(shù)語）關(guān)系，如下圖所示。

圖2 飛豹全數(shù)字樣機(jī)與服役飛機(jī)

2012年，美國宇航局和美國空軍聯(lián)合發(fā)表了一篇關(guān)于數(shù)字孿生的論文，指出它是未來飛行器的關(guān)鍵技術(shù)。

2014年，首部數(shù)字孿生白皮書發(fā)表。隨后，數(shù)字孿生概念被引入航空航天工業(yè)以外的更多領(lǐng)域，如汽車、石油和天然氣、醫(yī)療保健和醫(yī)藥等。

2020年11月11日，我國工信部牽頭發(fā)布《數(shù)字孿生白皮書》。

也許你會疑惑，為什么要使用數(shù)字孿生技術(shù)仿真物理世界，這樣做究竟有什么意義？

03 

數(shù)字孿生的應(yīng)用意義

數(shù)字孿生技術(shù)貫穿了產(chǎn)品生命周期中的不同階段，它同PLM（Product Lifecycle Management）的理念是不謀而合的?？梢哉f，數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展將PLM的能力和理念從設(shè)計階段真正擴(kuò)展到了全生命周期。

對于生產(chǎn)企業(yè)而言，數(shù)字孿生技術(shù)可以：

（1）虛擬場景，優(yōu)化方案，降低風(fēng)險。運用數(shù)字孿生技術(shù)，企業(yè)可以在建立或整改生產(chǎn)線時，預(yù)先虛擬生產(chǎn)線運行狀態(tài)，或在不改變原有生產(chǎn)線的情況下，運用數(shù)字孿生技術(shù)，克隆出與生產(chǎn)線對應(yīng)的虛擬產(chǎn)線，全方位觀測效果，對其進(jìn)行建設(shè)或整改。這樣大大減少了試錯成本，并且可以不斷優(yōu)化設(shè)計方案，降低風(fēng)險，確?？尚行浴?/span>

（2）仿真設(shè)備模型，產(chǎn)品研發(fā)測試。工業(yè)企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)過程中，數(shù)字孿生可以虛擬構(gòu)建產(chǎn)品數(shù)字化模型，對其進(jìn)行仿真測試和驗證，從而不受現(xiàn)實環(huán)境限制，有效提升產(chǎn)品的可靠性和可用性，同時降低產(chǎn)品研發(fā)和制造風(fēng)險。

（3）克隆生產(chǎn)線，精準(zhǔn)監(jiān)控設(shè)備運行。生產(chǎn)制造時，可以模擬生產(chǎn)線工藝流程，設(shè)備運轉(zhuǎn)，遠(yuǎn)程實時監(jiān)控生產(chǎn)線各項變化，及時解決突發(fā)狀況，提升工作效率。

比如，德國包裝系統(tǒng)制造商Optima利用西門子的數(shù)字孿生技術(shù)對其運輸系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)字繪圖和檢查。它還有助于對產(chǎn)品定制將如何影響生產(chǎn)過程進(jìn)行建模，并改變過程的工作方式以適應(yīng)這種定制。利用這項技術(shù)可以將下一代機(jī)器的開發(fā)成本降低50%以上。

04 

數(shù)字孿生的運用案例

在2020年發(fā)布的《數(shù)字孿生白皮書》中，收集了涵蓋智能制造、智慧城市、智慧交通、智慧能源、智慧建筑、智慧健康等六個領(lǐng)域共計31個數(shù)字孿生應(yīng)用案例。

圖3 數(shù)字孿生原理示意圖

比如在智能制造領(lǐng)域由數(shù)字孿生驅(qū)動的智慧火電應(yīng)用案例：某火電廠監(jiān)控信息系統(tǒng)在數(shù)據(jù)量采集、功能分散、重要設(shè)備機(jī)理模型等方面存在問題。

數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，幫助該火電廠建立了火電機(jī)組設(shè)備模型、機(jī)理模型和管理模型，實現(xiàn)了數(shù)字模型與機(jī)組設(shè)備的雙向同步和實時互動，并支持安全環(huán)保、總體績效、機(jī)組優(yōu)化、燃料管理等功能。

圖4 某火電廠輸煤棧橋數(shù)字孿生演示

圖5 某火電廠發(fā)電鍋爐數(shù)字孿生演示

再比如數(shù)字孿生技術(shù)在智慧濱海城市數(shù)字大腦項目的運用。濱海新區(qū)在2018年提出以智慧政務(wù)、智慧經(jīng)濟(jì)、智慧城管和智慧民生四大版塊 N 個智慧應(yīng)用為重點，分三年推進(jìn)智慧濱海建設(shè)，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)一張圖支撐決策、大運營一條鏈服務(wù)產(chǎn)業(yè)以及大平臺一張網(wǎng)惠及民生。

借助數(shù)字孿生技術(shù)，濱海城市大腦一方面實現(xiàn)了全域全量數(shù)據(jù)資源的管理和可視化展示，另一方面借助協(xié)同計算能力、模型仿真引擎，實現(xiàn)了濱海城市治理、民生服務(wù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等各系統(tǒng)協(xié)同運轉(zhuǎn)。

05 

暢想數(shù)字孿生在EHS領(lǐng)域的運用

對于數(shù)字孿生在EHS領(lǐng)域的運用，基于現(xiàn)有的工業(yè)、信息技術(shù)，筆者認(rèn)為可率先運用在以下領(lǐng)域：

（1）事故災(zāi)難應(yīng)急。在火災(zāi)、爆炸及環(huán)境污染等事故發(fā)生后，政府應(yīng)急管理部門可采用無人機(jī)視頻技術(shù)，對事故災(zāi)難區(qū)進(jìn)行快速3D數(shù)字建模，并通過地面部署移動環(huán)境監(jiān)測車、區(qū)域固定環(huán)境監(jiān)測裝置、結(jié)合無人機(jī)獲取的有害氣體云團(tuán)數(shù)據(jù)、AI熱成像視頻監(jiān)控、GIS地理信息等數(shù)據(jù)，對現(xiàn)實的事故區(qū)域創(chuàng)建數(shù)字孿生體，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行事故救援方案的推演、實時呈現(xiàn)事故現(xiàn)場應(yīng)急處置狀況等。

（2）變更及工藝風(fēng)險管控。通過對企業(yè)的儀表、閥門、反應(yīng)釜等動靜設(shè)備進(jìn)行3D掃描或無人機(jī)視頻技術(shù)，快速構(gòu)建車間生產(chǎn)裝置3D數(shù)字模型，導(dǎo)入物料、溫度、壓力等數(shù)據(jù)參數(shù)，模擬進(jìn)行設(shè)備、儀表變更，甚至操作程序變更，用以檢驗變更效果。當(dāng)然，也可按照上述邏輯，結(jié)合HAZOP引導(dǎo)詞、關(guān)鍵詞進(jìn)行工藝風(fēng)險評估，并通過數(shù)字孿生體進(jìn)行風(fēng)險控制效果的檢驗。

（3）現(xiàn)場可視化管理。對于生產(chǎn)場所的可視化管理，已經(jīng)較為常見，大部分化工廠的罐區(qū)的儲罐、生產(chǎn)車間的反應(yīng)釜基本上都已經(jīng)實現(xiàn)了液位的可視化。但對于整個罐區(qū)、整個生產(chǎn)車間、污水池、廢氣回收裝置、每個關(guān)鍵裝置及其安全附件的的可視化模型（即數(shù)字孿生體）目前幾乎尚未涉及，但小編相信當(dāng)有一天只需要拍照就可以實現(xiàn)3D數(shù)字建模時，這項功能也必將實現(xiàn)。或許到那時，只要手指輕點屏幕上的任何一個設(shè)備，我們就能夠清楚的知道，它當(dāng)前的運行狀況、上次的維修保養(yǎng)時間等信息。

（4）環(huán)境污染實時監(jiān)測。對于企業(yè)的環(huán)境污染實時監(jiān)測這一功能，實際上在部分省份的水氣土監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中已初步實現(xiàn)。但是基本上采用的GIS地理建模形式，對于生產(chǎn)企業(yè)的位置也僅用顏色、坐標(biāo)、名稱等參數(shù)顯示。未來，基于現(xiàn)實世界構(gòu)建的工業(yè)園區(qū)、縣域生產(chǎn)企業(yè)數(shù)字孿生體，綜合這些以上布置的污染源監(jiān)測傳感器，實時對各企業(yè)的污染物進(jìn)行監(jiān)測、監(jiān)控，在區(qū)域地理模型上顯示這些企業(yè)的污染物排放數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)污染物超標(biāo)預(yù)警功能。當(dāng)數(shù)據(jù)超標(biāo)時，監(jiān)管人員可以在通過建立的數(shù)字孿生體模型，查看該企業(yè)的具體生產(chǎn)、水氣等排放信息。