在科技發(fā)達(dá)的當(dāng)下，數(shù)字化成為了諸多行業(yè)領(lǐng)域正在進(jìn)行的變革轉(zhuǎn)型。世界各地相繼采取措施，將數(shù)字化技術(shù)運(yùn)用到能源生產(chǎn)、輸送、交易、消費(fèi)及監(jiān)管等各個(gè)重要環(huán)節(jié)。相對(duì)于能源企業(yè)而言，數(shù)字化轉(zhuǎn)型既是機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。
最近幾年，數(shù)字孿生這個(gè)概念引發(fā)了大家愈來(lái)愈多的關(guān)注，從初期在學(xué)術(shù)界引進(jìn)這個(gè)概念，到現(xiàn)在諸多數(shù)字化領(lǐng)先企業(yè)都在制定數(shù)字孿生解決方案，數(shù)字孿生無(wú)疑是成為數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心技術(shù)手段。本篇文章將帶大家一起探尋——數(shù)字孿生在制造業(yè)、電力以及智慧城市三大領(lǐng)域是怎樣發(fā)揮作用的？
一、數(shù)字孿生的起源和定義
有關(guān)于數(shù)字孿生的想法最開(kāi)始是由佛羅里達(dá)理工學(xué)院的MichaelGrieves教授在2002年的制造工程師學(xué)會(huì)會(huì)議上公開(kāi)引進(jìn)的，他覺(jué)得通過(guò)物理設(shè)備的數(shù)據(jù)，可以在虛擬（信息）空間創(chuàng)建一個(gè)可以表征該物理設(shè)備的虛擬實(shí)體和子系統(tǒng)，并且這種聯(lián)系不是單向和靜態(tài)的，而是在整個(gè)產(chǎn)品的生命周期中都聯(lián)系在一起。Shafto和Vickers等人于十幾年前在美國(guó)NASA的路線圖中明確定義了數(shù)字孿生這個(gè)名詞并將其運(yùn)用在航空領(lǐng)域。
然后，科學(xué)研究中提出了許多關(guān)于數(shù)字孿生的在不同應(yīng)用領(lǐng)域的具體定義，雖然其通用定義由于不同場(chǎng)景下需求不同而難以有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但所有的定義都在強(qiáng)調(diào)兩個(gè)核心特征：
1.數(shù)字孿生是有生命或無(wú)生命的物理實(shí)體的數(shù)字副本；
2.通過(guò)橋接物理和虛擬世界，數(shù)據(jù)可以無(wú)縫傳輸，進(jìn)而允許虛擬實(shí)體與物理實(shí)體同時(shí)存在。
在學(xué)術(shù)界對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)行探究的期間，諸多著眼于數(shù)字化轉(zhuǎn)型的企業(yè)也發(fā)現(xiàn)了數(shù)字孿生的價(jià)值。一直著眼于探究工業(yè)數(shù)字化的美國(guó)通用電氣公司在為美國(guó)國(guó)防部提供F-35聯(lián)合攻擊機(jī)解決方案的時(shí)候便開(kāi)始注重?cái)?shù)字孿生。德國(guó)工業(yè)4.0的代表企業(yè)西門(mén)子公司也強(qiáng)調(diào)數(shù)字孿生在工業(yè)數(shù)字化中的核心作用，并將其運(yùn)用到各業(yè)務(wù)領(lǐng)域內(nèi)。從那之后，數(shù)字孿生這個(gè)概念，就逐漸風(fēng)靡業(yè)界，直至今日。
二、數(shù)字孿生在各領(lǐng)域的運(yùn)用
數(shù)字孿生作為數(shù)字化的基礎(chǔ)技術(shù)可以滲入到諸多行業(yè)之中，在這我們以制造行業(yè)和能源行業(yè)為例子介紹數(shù)字孿生的運(yùn)用示例。
1、制造業(yè)：
數(shù)字孿生最開(kāi)始是為了在制造業(yè)中運(yùn)用而誕生的，故此制造業(yè)也是如今數(shù)字孿生運(yùn)用的主戰(zhàn)場(chǎng)。數(shù)字孿生技術(shù)貫穿了從制造到服務(wù)和運(yùn)營(yíng)的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中。在制造階段，通過(guò)數(shù)字化手段創(chuàng)建起來(lái)的虛擬生產(chǎn)線，將產(chǎn)品本身的數(shù)字孿生同生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程等其他形態(tài)的數(shù)字孿生高度集成起來(lái)，實(shí)現(xiàn)如下的功能：
1）生產(chǎn)過(guò)程仿真：在產(chǎn)品生產(chǎn)制造之前，就可以通過(guò)虛擬生產(chǎn)制造的方式來(lái)仿真模擬在不同產(chǎn)品、不同參數(shù)、不同外部條件下的生產(chǎn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)能、效率以及可能出現(xiàn)的生產(chǎn)制造瓶頸等問(wèn)題的提前預(yù)判，加速新產(chǎn)品導(dǎo)入的過(guò)程;
2）數(shù)字化產(chǎn)線：將生產(chǎn)制造階段的各類(lèi)要素，如原材料、設(shè)備、工藝配方和工序要求，通過(guò)數(shù)字化的手段集成在一個(gè)緊密協(xié)作的生產(chǎn)過(guò)程中，并按照既定的規(guī)則，自動(dòng)的完成在不同條件組合下的操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的生產(chǎn)過(guò)程；同時(shí)記錄生產(chǎn)過(guò)程中的各類(lèi)數(shù)據(jù)，為后續(xù)的深入分析和優(yōu)化提供依據(jù)。
3）關(guān)鍵指標(biāo)值監(jiān)管和過(guò)程能力評(píng)估：通過(guò)收集生產(chǎn)線上的各類(lèi)生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全部生產(chǎn)過(guò)程的可視化監(jiān)管，并且通過(guò)經(jīng)驗(yàn)或者機(jī)器學(xué)習(xí)創(chuàng)建關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)、檢驗(yàn)指標(biāo)值的監(jiān)管策略，對(duì)出現(xiàn)違背策略的異常現(xiàn)象進(jìn)行及時(shí)處理和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定并不斷優(yōu)化的生產(chǎn)過(guò)程。
如下圖所示描繪的便是某一生產(chǎn)流程的物理模型和數(shù)字化鏡像，數(shù)字孿生對(duì)工廠環(huán)境中實(shí)際情況進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)虛擬復(fù)制。
而在服務(wù)階段，數(shù)字孿生可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和預(yù)測(cè)性維修、優(yōu)化客戶(hù)的生產(chǎn)指標(biāo)、產(chǎn)品使用反饋等功能，改善用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品的使用體驗(yàn)，這些功能將伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的完善和傳感器成本的降低逐步投入大規(guī)模使用。
在企業(yè)應(yīng)用層面，前文提到過(guò)的通用電氣就有一個(gè)基于數(shù)字孿生的系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)可以用于管理和分析風(fēng)力渦輪機(jī)，石油鉆機(jī)或它們產(chǎn)生的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的數(shù)據(jù)。比如說(shuō)，它們通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)收集倫敦和巴黎之間航班的所有數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)被傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，在這里生成每一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)字孿生。這樣，通用電氣便可以在飛行全過(guò)程中檢測(cè)出潛在性的缺陷或故障。如果發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分引起故障，負(fù)責(zé)維護(hù)的工作人員可以在飛機(jī)將要降落的機(jī)場(chǎng)準(zhǔn)備好替換零件。
2、電力行業(yè)：
在電力行業(yè)中，數(shù)字孿生在發(fā)、輸、配三個(gè)環(huán)節(jié)都有極大的運(yùn)用空間，當(dāng)前兩大電氣巨頭——通用電氣和西門(mén)子，都提出了完整的解決方案。以發(fā)電全過(guò)程為例，在一個(gè)數(shù)字化的發(fā)電廠中，數(shù)字孿生將基于物理的方法和高級(jí)分析功能結(jié)合起來(lái)，力爭(zhēng)精確地復(fù)刻電廠資產(chǎn)的當(dāng)前狀態(tài)，并且可以借助這種組合方法預(yù)測(cè)電廠的老化模式、異常情況和未來(lái)行為，評(píng)估不同的場(chǎng)景、優(yōu)化和平衡各種權(quán)衡因素，并提高電廠的效率和可靠性。
數(shù)字孿生與智能電網(wǎng)的結(jié)合也是十分具備潛力的應(yīng)用場(chǎng)景。智能電網(wǎng)數(shù)字孿生利用電力系統(tǒng)物理模型、先進(jìn)計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施的在線量測(cè)數(shù)據(jù)、電力系統(tǒng)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，并集成電氣、計(jì)算機(jī)、通信、氣候、經(jīng)濟(jì)等多學(xué)科知識(shí)，進(jìn)行的多物理量、多時(shí)空尺度、多概率的仿真全過(guò)程，通過(guò)在虛擬空間中完成對(duì)智能電網(wǎng)的映射，反映智能電網(wǎng)的生命周期全過(guò)程。
3、智慧城市：
現(xiàn)如今，我們的城市鋪滿了各式各樣的傳感器、攝像頭，大量的數(shù)據(jù)為數(shù)字孿生在智慧城市中的運(yùn)用打下了強(qiáng)大的基礎(chǔ)。借助包括5G在內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，這些終端采集的數(shù)據(jù)可以更快地被提取出來(lái)，并加以運(yùn)用。因此，智慧城市將成為數(shù)字孿生體最龐大的運(yùn)用，即——數(shù)字孿生城市。
對(duì)于智慧城市而言，數(shù)字孿生在建設(shè)和管理兩個(gè)階段也會(huì)有不同的運(yùn)用。在城市建設(shè)階段，基建工程可以說(shuō)是數(shù)字孿生運(yùn)用非常重要的領(lǐng)域。在建造高速公路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施之前，可以通過(guò)數(shù)字孿生完成對(duì)工程的數(shù)字化建模，之后在虛擬的數(shù)字空間對(duì)工程進(jìn)行仿真和模擬，評(píng)估工程的結(jié)構(gòu)和承受能力，還可以導(dǎo)入流量數(shù)據(jù)，評(píng)估工程是否可以滿足投入使用后的需求。在工程交付之后，還可以在維護(hù)階段評(píng)估工程是否可以承擔(dān)特殊情況的壓力。及其監(jiān)測(cè)可能會(huì)出現(xiàn)的事故隱患。
在建筑工程方面也是同樣。對(duì)于業(yè)內(nèi)人士而言，BIM（BuildingInformationModelling，建筑信息建模）是大家非常熟悉的概念，而數(shù)字孿生則是在BIM基礎(chǔ)上的一種邏輯延伸，更加注重人們與環(huán)境如何進(jìn)行交互。英國(guó)政府就非常重視數(shù)字孿生在建筑業(yè)的運(yùn)用，因此出資建設(shè)英國(guó)數(shù)字建筑中心，通過(guò)“國(guó)家數(shù)字孿生計(jì)劃”，支持運(yùn)用數(shù)字技術(shù)來(lái)更好的設(shè)計(jì)和建造建筑，并更好的改造、維護(hù)、集成和運(yùn)用建設(shè)環(huán)境。
在城市管理階段，通過(guò)建設(shè)數(shù)字孿生城市，將基礎(chǔ)設(shè)施（水、電、氣、交通等）的運(yùn)行情況，市政資源（警力、醫(yī)療、消防等）的調(diào)配情況，通過(guò)傳感器、攝像頭、數(shù)字化子系統(tǒng)采集出來(lái)，并通過(guò)包括5G在內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳輸?shù)皆贫恕Ｔ诓杉瘮?shù)據(jù)后，以交互平臺(tái)的形式運(yùn)用這個(gè)龐大的數(shù)字孿生，以捕獲和展示實(shí)時(shí)3D和4D空間數(shù)據(jù)，以便于對(duì)城市環(huán)境及建筑內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行建模。城市的管理人員，基于這些數(shù)據(jù)，及其城市模型，更高效地管理城市。
現(xiàn)如今，許多海外城市已經(jīng)在摸索數(shù)字孿生城市的運(yùn)用。新加坡的“虛擬新加坡”計(jì)劃、澳大利亞新南威爾士州的DigitalTwin、及其德國(guó)黑倫貝格UrbanDigtialTwin都是“智慧城市+數(shù)字孿生”的踐行。下圖所示便是新南威爾士州彭里斯市智慧城市某建筑的4D模型。
