01 

什么是數字孿生？

數字孿生，英文名叫Digital Twin（數字雙胞胎），也被稱(chēng)為數字映射、數字鏡像。數字孿生尚無(wú)業(yè)界公認的標準定義，概念還在發(fā)展與演變中。在百度百科中，初步將數字孿生定義為充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。

如果你第一次了解數字孿生，是不是有些懵圈？通俗地說(shuō)，數字孿生就是在一個(gè)設備或系統的基礎上，在信息化平臺上為其創(chuàng )造一個(gè)虛擬的、數字版的“克隆體”，這個(gè)克隆體，就被成為“數字孿生體”。

或許你會(huì )說(shuō)，這不就是把設備、系統CAD圖紙給3D化了嗎？現在有很多制圖軟件都可以實(shí)現這個(gè)功能，有什么新鮮的？

相比傳統的3D設計圖，數字孿生體最大的特點(diǎn)是它是對實(shí)體對象的動(dòng)態(tài)仿真，也就是說(shuō)，數字孿生體是會(huì )跟隨實(shí)體對象的變化而變化的。而“變化”的依據，來(lái)自實(shí)體對象上傳感器所反饋的數據以及本體運行的歷史數據。

圖1 數字孿生原理示意圖

02 

數字孿生的發(fā)展歷程

2003年，數字孿生最初是在格里夫斯的產(chǎn)品生命周期管理（PLM)執行課程中提出，他將其定義為三個(gè)維度，包括一個(gè)“物理實(shí)體”、一個(gè)“數字對應物”和一個(gè)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)》草案中詳細闡述了航天飛行器數字孿生的定義和功能，“一個(gè)綜合的多物理場(chǎng)、多尺度的飛行器或系統模擬，使用最佳可用的物理模型、傳感器數據更新、歷史數據等來(lái)反映其相應壽命”。

2011年，美國空軍探索了數字孿生在飛機結構健康管理中的應用。在國內，中國航空工業(yè)集團第一飛機研究院（簡(jiǎn)稱(chēng)“一飛院”）在21世紀初開(kāi)發(fā)的飛豹全數字樣機與已經(jīng)服役的飛機形成了簡(jiǎn)明意義上的“數字孿生”（盡管當時(shí)沒(méi)有這個(gè)術(shù)語(yǔ)）關(guān)系，如下圖所示。

圖2 飛豹全數字樣機與服役飛機

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

2014年，首部數字孿生白皮書(shū)發(fā)表。隨后，數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(chē)、石油和天然氣、醫療保健和醫藥等。

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

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

03 

數字孿生的應用意義

數字孿生技術(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(shuō)，數字孿生技術(shù)的發(fā)展將PLM的能力和理念從設計階段真正擴展到了全生命周期。

對于生產(chǎn)企業(yè)而言，數字孿生技術(shù)可以：

（1）虛擬場(chǎng)景，優(yōu)化方案，降低風(fēng)險。運用數字孿生技術(shù)，企業(yè)可以在建立或整改生產(chǎn)線(xiàn)時(shí)，預先虛擬生產(chǎn)線(xiàn)運行狀態(tài)，或在不改變原有生產(chǎn)線(xiàn)的情況下，運用數字孿生技術(shù)，克隆出與生產(chǎn)線(xiàn)對應的虛擬產(chǎn)線(xiàn)，全方位觀(guān)測效果，對其進(jìn)行建設或整改。這樣大大減少了試錯成本，并且可以不斷優(yōu)化設計方案，降低風(fēng)險，確?？尚行?。

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

（3）克隆生產(chǎn)線(xiàn)，精準監控設備運行。生產(chǎn)制造時(shí)，可以模擬生產(chǎn)線(xiàn)工藝流程，設備運轉，遠程實(shí)時(shí)監控生產(chǎn)線(xiàn)各項變化，及時(shí)解決突發(fā)狀況，提升工作效率。

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

04 

數字孿生的運用案例

在2020年發(fā)布的《數字孿生白皮書(shū)》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(gè)領(lǐng)域共計31個(gè)數字孿生應用案例。

圖3 數字孿生原理示意圖

比如在智能制造領(lǐng)域由數字孿生驅動(dòng)的智慧火電應用案例：某火電廠(chǎng)監控信息系統在數據量采集、功能分散、重要設備機理模型等方面存在問(wèn)題。

數字孿生技術(shù)的應用，幫助該火電廠(chǎng)建立了火電機組設備模型、機理模型和管理模型，實(shí)現了數字模型與機組設備的雙向同步和實(shí)時(shí)互動(dòng)，并支持安全環(huán)保、總體績(jì)效、機組優(yōu)化、燃料管理等功能。

圖4 某火電廠(chǎng)輸煤棧橋數字孿生演示

圖5 某火電廠(chǎng)發(fā)電鍋爐數字孿生演示

再比如數字孿生技術(shù)在智慧濱海城市數字大腦項目的運用。濱海新區在2018年提出以智慧政務(wù)、智慧經(jīng)濟、智慧城管和智慧民生四大版塊 N 個(gè)智慧應用為重點(diǎn)，分三年推進(jìn)智慧濱海建設，實(shí)現大數據一張圖支撐決策、大運營(yíng)一條鏈服務(wù)產(chǎn)業(yè)以及大平臺一張網(wǎng)惠及民生。

借助數字孿生技術(shù)，濱海城市大腦一方面實(shí)現了全域全量數據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(shí)現了濱海城市治理、民生服務(wù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展等各系統協(xié)同運轉。

05 

暢想數字孿生在EHS領(lǐng)域的運用

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

（1）事故災難應急。在火災、爆炸及環(huán)境污染等事故發(fā)生后，政府應急管理部門(mén)可采用無(wú)人機視頻技術(shù)，對事故災難區進(jìn)行快速3D數字建模，并通過(guò)地面部署移動(dòng)環(huán)境監測車(chē)、區域固定環(huán)境監測裝置、結合無(wú)人機獲取的有害氣體云團數據、AI熱成像視頻監控、GIS地理信息等數據，對現實(shí)的事故區域創(chuàng )建數字孿生體，并在此基礎上進(jìn)行事故救援方案的推演、實(shí)時(shí)呈現事故現場(chǎng)應急處置狀況等。

（2）變更及工藝風(fēng)險管控。通過(guò)對企業(yè)的儀表、閥門(mén)、反應釜等動(dòng)靜設備進(jìn)行3D掃描或無(wú)人機視頻技術(shù)，快速構建車(chē)間生產(chǎn)裝置3D數字模型，導入物料、溫度、壓力等數據參數，模擬進(jìn)行設備、儀表變更，甚至操作程序變更，用以檢驗變更效果。當然，也可按照上述邏輯，結合HAZOP引導詞、關(guān)鍵詞進(jìn)行工藝風(fēng)險評估，并通過(guò)數字孿生體進(jìn)行風(fēng)險控制效果的檢驗。

（3）現場(chǎng)可視化管理。對于生產(chǎn)場(chǎng)所的可視化管理，已經(jīng)較為常見(jiàn)，大部分化工廠(chǎng)的罐區的儲罐、生產(chǎn)車(chē)間的反應釜基本上都已經(jīng)實(shí)現了液位的可視化。但對于整個(gè)罐區、整個(gè)生產(chǎn)車(chē)間、污水池、廢氣回收裝置、每個(gè)關(guān)鍵裝置及其安全附件的的可視化模型（即數字孿生體）目前幾乎尚未涉及，但小編相信當有一天只需要拍照就可以實(shí)現3D數字建模時(shí)，這項功能也必將實(shí)現?；蛟S到那時(shí)，只要手指輕點(diǎn)屏幕上的任何一個(gè)設備，我們就能夠清楚的知道，它當前的運行狀況、上次的維修保養時(shí)間等信息。

（4）環(huán)境污染實(shí)時(shí)監測。對于企業(yè)的環(huán)境污染實(shí)時(shí)監測這一功能，實(shí)際上在部分省份的水氣土監測預警系統中已初步實(shí)現。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、名稱(chēng)等參數顯示。未來(lái)，基于現實(shí)世界構建的工業(yè)園區、縣域生產(chǎn)企業(yè)數字孿生體，綜合這些以上布置的污染源監測傳感器，實(shí)時(shí)對各企業(yè)的污染物進(jìn)行監測、監控，在區域地理模型上顯示這些企業(yè)的污染物排放數據，并實(shí)現污染物超標預警功能。當數據超標時(shí)，監管人員可以在通過(guò)建立的數字孿生體模型，查看該企業(yè)的具體生產(chǎn)、水氣等排放信息。