科幻電影《黑客帝國》展現(xiàn)了虛擬和現(xiàn)實相映照的世界。兩個世界中有一個相同的自己，仿佛是一對虛實世界的“雙胞胎”。如今，這個概念已經(jīng)從技術和應用層面走入現(xiàn)實世界——數(shù)字孿生。
在數(shù)字孿生技術中，“雙胞胎”中的一方是存在于現(xiàn)實世界的實體，另一方則存在于虛擬世界、數(shù)字世界之中，是利用數(shù)字技術營造的與現(xiàn)實世界對稱的鏡像。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術、人工智能和虛擬現(xiàn)實技術的不斷發(fā)展，更多的工業(yè)產(chǎn)品、設備具備了智能的特征。在這樣的背景下，數(shù)字孿生技術正直接影響著智慧城市、人工智能、安防、物聯(lián)網(wǎng)等未來發(fā)展。
數(shù)字孿生概念的起源及演變
數(shù)字孿生是通過數(shù)字化的手段，在虛擬世界中構建一個和物理世界中的對象一模一樣的主體，以此來實現(xiàn)對物理實體的了解、分析和優(yōu)化。從概念到應用，數(shù)字孿生已經(jīng)走過了十幾年的發(fā)展歷程。
數(shù)字孿生這一概念最早出現(xiàn)于2002年，由Grieves教授在美國密歇根大學發(fā)表的一次關于產(chǎn)品生命周期管理的演講中首次提出。他認為，通過利用物理設備的數(shù)據(jù)，人們可以在虛擬（信息）空間構建一個可以表征該物理設備的虛擬主體和子系統(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。后來，美國國防部將數(shù)字孿生技術引入航天飛行器的健康維護中，并在美國國家航空航天局（NASA）的阿波羅計劃中應用。
實際上，自從有了計算機輔助設計等數(shù)字化的“創(chuàng)作”手段，就已經(jīng)有了數(shù)字孿生的源頭。工程設計中計算機仿真手段的出現(xiàn)就讓數(shù)字虛體和物理實體走得更近，讓數(shù)字虛體更像物理實體。
隨著數(shù)字技術的不斷發(fā)展，以及人們多年來在數(shù)字世界里做設計和仿真，虛擬和現(xiàn)實越來越對應、融合，數(shù)字虛體越來越賦能物理實體系統(tǒng)。而數(shù)字孿生技術就是以數(shù)字化方式為物理對象創(chuàng)建的虛擬模型，來模擬物理實體在現(xiàn)實環(huán)境中的行為。
數(shù)字孿生從概念成為技術，是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，也是在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦予數(shù)字孿生新生命力
當前，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術的迅速發(fā)展對推動制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化進程起到關鍵作用。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不斷向應用層面推進，數(shù)字孿生被賦予了新的生命力。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)延伸了數(shù)字孿生的價值鏈條和生命周期，凸顯出數(shù)字孿生在模型、數(shù)據(jù)、服務方面的優(yōu)勢和能力，打通了數(shù)字孿生應用和迭代優(yōu)化的現(xiàn)實路徑，正成為數(shù)字孿生的孵化床。充分運用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和區(qū)塊鏈等先進技術，打造數(shù)字孿生模型，可以為智慧城市、智慧制造、智能變電站等提供新的建設思路和方法。
在國際上，美國通用電氣公司借助數(shù)字孿生這一概念，提出物理機械和分析技術融合的實現(xiàn)途徑，目前已將成果應用于機器人制造。德國西門子公司將數(shù)字孿生技術用于機械設備設計和工廠規(guī)劃排產(chǎn)。法國達索公司利用數(shù)字孿生技術幫助包括寶馬、特斯拉在內(nèi)的汽車公司進行產(chǎn)品外形仿真，利用仿真數(shù)據(jù)設計產(chǎn)品，使產(chǎn)品減少空氣阻力。
在國內(nèi)，數(shù)字孿生技術的應用正處于起步階段，但已在能源基礎設施建設中得到應用。我國一些能源企業(yè)在基礎設施建設中設計了完全沉浸式的數(shù)字孿生模型，從而實現(xiàn)工程設計可視化，并可以確定潛在的障礙和問題，提升工作效率。
在電力行業(yè)中，數(shù)字孿生技術也在變電、配電領域?qū)崿F(xiàn)了應用。在第六屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會上，新投運的烏鎮(zhèn)“互聯(lián)網(wǎng)之光”博覽會新展館10千伏配電房運用數(shù)字孿生技術，構建了與真實場景無縫匹配的虛擬場景。坐落于中新天津生態(tài)城旅游區(qū)的110千伏游樂港智能變電站全息模型于今年6月建設完成，為數(shù)字孿生變電站建設打下基礎。數(shù)字孿生變電站建設完成后，運維人員將通過“孿生”變電站輕松獲取并分析處理各類運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對變電站的全域和全生命周期管理。
將對電力系統(tǒng)運行管理帶來重要影響
泛在電力物聯(lián)網(wǎng)是電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)萬物互聯(lián)、人機交互，實現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間的實時交互及高效協(xié)同。而數(shù)字孿生在數(shù)字空間構建了一套表征對象在設計、研發(fā)、運行、迭代過程中的虛擬體，猶如物聯(lián)網(wǎng)中各種實體對象的“基因”，是實現(xiàn)人機協(xié)同的重要橋梁與技術，可以說是泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的底層邏輯。同時，數(shù)字孿生技術也將對電力系統(tǒng)結構、運行邏輯、交易方式、商業(yè)模式、技術體系與管理機制帶來重要影響。
在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設的具體場景中，數(shù)字孿生技術可應用于支撐虛擬現(xiàn)實下電網(wǎng)的智能規(guī)劃及優(yōu)化設計、精準電網(wǎng)故障模擬云測仿真、虛擬電廠、智能設備監(jiān)控、電力機房調(diào)控、變電站設備監(jiān)控等業(yè)務。
以數(shù)字孿生電力機房應用為例，當前，巡檢以人工巡檢為主，實時性差，效率較低。在數(shù)字孿生技術的支撐下，把人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和三維可視化等技術應用到機房的環(huán)境監(jiān)測和調(diào)控中，構建起機房生產(chǎn)運行虛擬環(huán)境，可以實時監(jiān)控機房溫度等環(huán)境因素。一旦發(fā)生預警，系統(tǒng)將及時自動調(diào)節(jié)，當故障恢復后，機房服務器設備及環(huán)境控制設備自動啟動，并將環(huán)境因素調(diào)節(jié)至理想狀態(tài)，保障電力機房安全穩(wěn)定運行。
目前，國網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團有限公司正依托人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等方面的技術優(yōu)勢，形成多個數(shù)字孿生科研項目儲備。其中，“基于數(shù)字孿生模型的機房運行環(huán)境監(jiān)測及一站式調(diào)控的關鍵技術研究與應用”項目即將實現(xiàn)試點應用。未來，國家電網(wǎng)有限公司經(jīng)營區(qū)域內(nèi)分布廣泛、數(shù)量眾多的電力機房和變電站都將成為數(shù)字孿生節(jié)點部署的最佳選擇。（作者單位：國網(wǎng)信通產(chǎn)業(yè)集團）
