在科技發(fā)展的今天，數(shù)字化成為了許多行業(yè)正在進行的變革。世界各國紛紛采取措施，將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用到能源生產(chǎn)、輸送、交易、消費及監(jiān)管等各個環(huán)節(jié)。對于能源企業(yè)來說，數(shù)字化轉(zhuǎn)型既是機遇，也是挑戰(zhàn)。在這個系列當(dāng)中，交能網(wǎng)將和大家一起解讀數(shù)字化能力的重要基礎(chǔ)——數(shù)字孿生（Digital Twin）。
最近幾年，數(shù)字孿生（Digital Twin）這一概念引起了人們越來越多的關(guān)注，從早期在學(xué)術(shù)界引入這一概念，到現(xiàn)在許多數(shù)字化領(lǐng)先企業(yè)都在制定數(shù)字孿生解決方案，數(shù)字孿生無疑成為數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)手段。本文將帶讀者一起探秘——數(shù)字孿生在制造業(yè)、電力以及智慧城市三大領(lǐng)域是如何發(fā)揮作用的？
數(shù)字孿生的起源和定義
有關(guān)數(shù)字孿生的想法最早是由佛羅里達理工學(xué)院的Michael Grieves教授在2002年的制造工程師學(xué)會會議上公開引入的，他認(rèn)為通過物理設(shè)備的數(shù)據(jù)，可以在虛擬（信息）空間構(gòu)建一個可以表征該物理設(shè)備的虛擬實體和子系統(tǒng)，并且這種聯(lián)系不是單向和靜態(tài)的，而是在整個產(chǎn)品的生命周期中都聯(lián)系在一起。
Shafto和Vickers等人于十年前在美國NASA的路線圖中明確定義了數(shù)字孿生（Digital Twin）這一名詞并將其應(yīng)用在航空領(lǐng)域。
而后，科學(xué)研究中提出了很多關(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景下需求不同而很難有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但所有定義都在強調(diào)兩個重要特征：
1.數(shù)字孿生是有生命或無生命的物理實體的數(shù)字副本
2.通過橋接物理和虛擬世界，數(shù)據(jù)可以無縫傳輸，從而允許虛擬實體與物理實體同時存在
在學(xué)術(shù)界對數(shù)字孿生進行探討的期間，許多致力于數(shù)字化轉(zhuǎn)型的企業(yè)也發(fā)現(xiàn)了數(shù)字孿生的價值。一直致力于研究工業(yè)數(shù)字化的美國通用電氣公司在為美國國防部提供F-35聯(lián)合攻擊機解決方案的時候便開始重視數(shù)字孿生。德國工業(yè)4.0的代表企業(yè)西門子公司也強調(diào)數(shù)字孿生在工業(yè)數(shù)字化中的重要作用，并將其應(yīng)用到各業(yè)務(wù)領(lǐng)域內(nèi)。從那之后，數(shù)字孿生這個概念，就開始風(fēng)靡業(yè)界，直至今日。
數(shù)字孿生在各領(lǐng)域的應(yīng)用
數(shù)字孿生作為數(shù)字化的基礎(chǔ)技術(shù)可以滲透到很多行業(yè)當(dāng)中，在這里我們以制造行業(yè)和能源行業(yè)為例介紹數(shù)字孿生的應(yīng)用示例。
制造業(yè)：
數(shù)字孿生最初是為了在制造業(yè)中應(yīng)用而誕生的，因此制造業(yè)也是目前數(shù)字孿生應(yīng)用的主戰(zhàn)場。數(shù)字孿生技術(shù)貫穿了從制造到服務(wù)和運營的整個產(chǎn)品生命周期（Product Lifecycle Management）中。
在制造階段，通過數(shù)字化手段構(gòu)建起來的虛擬生產(chǎn)線，將產(chǎn)品本身的數(shù)字孿生同生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)過程等其他形態(tài)的數(shù)字孿生高度集成起來，實現(xiàn)如下的功能：
-生產(chǎn)過程仿真：在產(chǎn)品生產(chǎn)之前，就可以通過虛擬生產(chǎn)的方式來模擬在不同產(chǎn)品、不同參數(shù)、不同外部條件下的生產(chǎn)過程，實現(xiàn)對產(chǎn)能、效率以及可能出現(xiàn)的生產(chǎn)瓶頸等問題的提前預(yù)判，加速新產(chǎn)品導(dǎo)入的過程;
-數(shù)字化產(chǎn)線：將生產(chǎn)階段的各種要素，如原材料、設(shè)備、工藝配方和工序要求，通過數(shù)字化的手段集成在一個緊密協(xié)作的生產(chǎn)過程中，并根據(jù)既定的規(guī)則，自動的完成在不同條件組合下的操作，實現(xiàn)自動化的生產(chǎn)過程；同時記錄生產(chǎn)過程中的各類數(shù)據(jù)，為后續(xù)的分析和優(yōu)化提供依據(jù)。
-關(guān)鍵指標(biāo)監(jiān)控和過程能力評估：通過采集生產(chǎn)線上的各種生產(chǎn)設(shè)備的實時運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全部生產(chǎn)過程的可視化監(jiān)控，并且通過經(jīng)驗或者機器學(xué)習(xí)建立關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)、檢驗指標(biāo)的監(jiān)控策略，對出現(xiàn)違背策略的異常情況進行及時處理和調(diào)整，實現(xiàn)穩(wěn)定并不斷優(yōu)化的生產(chǎn)過程。
圖1描繪的就是某一生產(chǎn)流程的物理模型和數(shù)字化鏡像，數(shù)字孿生對工廠環(huán)境中實際情況進行準(zhǔn)實時虛擬復(fù)制。
圖1：生產(chǎn)流程數(shù)字孿生模型，來源：德勤大學(xué)出版社
而在服務(wù)階段，數(shù)字孿生可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和預(yù)測性維修、優(yōu)化客戶的生產(chǎn)指標(biāo)、產(chǎn)品使用反饋等功能，改善用戶對產(chǎn)品的使用體驗，這些功能將隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟和傳感器成本的下降逐漸投入大規(guī)模使用。
在企業(yè)應(yīng)用層面，前面提到過的通用電氣就有一個基于數(shù)字孿生的系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)可以用來管理和分析風(fēng)力渦輪機，石油鉆機或他們生產(chǎn)的飛機發(fā)動機上的數(shù)據(jù)。例如，他們通過這一系統(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，在此生成每個發(fā)動機的實時數(shù)字孿生。這樣，通用電氣便能夠在飛行過程中檢測出潛在的缺陷或故障。如果發(fā)動機的一部分引起故障，負(fù)責(zé)維護的人員可以在飛機將要著陸的機場準(zhǔn)備好更換零件。
圖2：通用公司數(shù)字孿生應(yīng)用，來源：GE官網(wǎng)
電力行業(yè)：
在電力行業(yè)中，數(shù)字孿生在發(fā)、輸、配三個環(huán)節(jié)都有巨大的應(yīng)用空間，目前兩大電氣巨頭——通用電氣和西門子，都提出了完整的解決方案。
以發(fā)電過程為例，在一個數(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分析功能結(jié)合起來，力圖準(zhǔn)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)測電廠的老化模式、異常狀況和未來行為，評估不同的場景、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)合也是十分具有潛力的應(yīng)用場景。智能電網(wǎng)數(shù)字孿生利用電力系統(tǒng)物理模型、先進計量基礎(chǔ)設(shè)施的在線量測數(shù)據(jù)、電力系統(tǒng)歷史運行數(shù)據(jù)，并集成電氣、計算機、通信、氣候、經(jīng)濟等多學(xué)科知識，進行的多物理量、多時空尺度、多概率的仿真過程，通過在虛擬空間中完成對智能電網(wǎng)的映射，反映智能電網(wǎng)的全生命周期過程。
關(guān)于以上兩個應(yīng)用場景，交能網(wǎng)將在后續(xù)文章中繼續(xù)做詳細(xì)介紹。
智慧城市：
如今，我們的城市布滿了各種各樣的傳感器、攝像頭，大量的數(shù)據(jù)為數(shù)字孿生在智慧城市中的應(yīng)用奠定了強大的基礎(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，并加以應(yīng)用。因此，智慧城市將成為數(shù)字孿生體最龐大的應(yīng)用，即——數(shù)字孿生城市。
對于智慧城市來說，數(shù)字孿生在建設(shè)和管理兩個階段也有不同的應(yīng)用。
在城市建設(shè)階段，基建工程可以說是數(shù)字孿生應(yīng)用相當(dāng)重要的領(lǐng)域。在修建高速公路、橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施之前，可以通過數(shù)字孿生完成對工程的數(shù)字化建模，然后在虛擬的數(shù)字空間對工程進行仿真和模擬，評估工程的結(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，還可以在維護階段評估工程是否可以承擔(dān)特殊情況的壓力。以及監(jiān)測可能出現(xiàn)的事故隱患。
在建筑工程方面也是同理。對于業(yè)內(nèi)人士來說，BIM（Building Information Modelling，建筑信息建模）是大家十分熟悉的概念，而數(shù)字孿生則是在BIM基礎(chǔ)上的一種邏輯延伸，更加關(guān)注人們與環(huán)境如何進行交互。英國政府就十分重視數(shù)字孿生在建筑業(yè)的應(yīng)用，因此出資建設(shè)英國數(shù)字建筑中心，通過“國家數(shù)字孿生計劃”，支持使用數(shù)字技術(shù)來更好的設(shè)計和建造建筑，并更好的改造、維護、集成和使用建設(shè)環(huán)境。
在城市管理階段，通過建設(shè)數(shù)字孿生城市，將基礎(chǔ)設(shè)施（水、電、氣、交通等）的運行狀態(tài)，市政資源（警力、醫(yī)療、消防等）的調(diào)配情況，通過傳感器、攝像頭、數(shù)字化子系統(tǒng)采集出來，并通過包括5G在內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳遞到云端。在收集數(shù)據(jù)后，以交互平臺的形式應(yīng)用這個龐大的數(shù)字孿生，以捕獲和顯示實時3D和4D空間數(shù)據(jù)，以便對城市環(huán)境及建筑內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸進行建模。城市的管理者，基于這些數(shù)據(jù)，以及城市模型，更高效地管理城市。
目前，許多海外城市已經(jīng)在摸索數(shù)字孿生城市的應(yīng)用。新加坡的“虛擬新加坡”計劃、澳大利亞新南威爾士州的Digital Twin、以及德國黑倫貝格Urban Digtial Twin都是“智慧城市+數(shù)字孿生”的踐行。下圖就是新南威爾士州彭里斯市智慧城市某建筑的4D模型。
圖3：彭里斯市智慧城市4D模型，來源：新南威爾士州政府網(wǎng)站
除了上述領(lǐng)域之外，包括醫(yī)療、物流、環(huán)保等很多場景都適合采用數(shù)字孿生技術(shù)，應(yīng)用場景非常廣闊。在未來的系列文章中，交能網(wǎng)將詳細(xì)介紹數(shù)字孿生在電力以及智慧城市領(lǐng)域的實踐案例，敬請關(guān)注。
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