探讨一下在科技发达的当下数字孪生技术的起源及运用

 在科技发达的当下，数字化成为了诸多行业领域正在进行的变革转型。世界各地相继采取措施，将数字化技术运用到能源生产、输送、交易、消费及监管等各个重要环节。相对于能源企业而言，数字化转型既是机遇，也是挑战。

 最近几年，数字孪生这个概念引发了大家愈来愈多的关注，从初期在学术界引进这个概念，到现在诸多数字化领先企业都在制定数字孪生解决方案，数字孪生无疑是成为数字化转型的核心技术手段。本篇文章将带大家一起探寻——数字孪生在制造业、电力以及智慧城市三大领域是怎样发挥作用的？

一、数字孪生的起源和定义

 有关于数字孪生的想法最开始是由佛罗里达理工学院的MichaelGrieves教授在2002年的制造工程师学会会议上公开引进的，他觉得通过物理设备的数据，可以在虚拟（信息）空间创建一个可以表征该物理设备的虚拟实体和子系统，并且这种联系不是单向和静态的，而是在整个产品的生命周期中都联系在一起。Shafto和Vickers等人于十几年前在美国NASA的路线图中明确定义了数字孪生这个名词并将其运用在航空领域。

 然后，科学研究中提出了许多关于数字孪生的在不同应用领域的具体定义，虽然其通用定义由于不同场景下需求不同而难以有一个统一的标准，但所有的定义都在强调两个核心特征：

 1.数字孪生是有生命或无生命的物理实体的数字副本；

 2.通过桥接物理和虚拟世界，数据可以无缝传输，进而允许虚拟实体与物理实体同时存在。

 在学术界对数字孪生进行探究的期间，诸多着眼于数字化转型的企业也发现了数字孪生的价值。一直着眼于探究工业数字化的美国通用电气公司在为美国国防部提供F-35联合攻击机解决方案的时候便开始注重数字孪生。德国工业4.0的代表企业西门子公司也强调数字孪生在工业数字化中的核心作用，并将其运用到各业务领域内。从那之后，数字孪生这个概念，就逐渐风靡业界，直至今日。

二、数字孪生在各领域的运用

       数字孪生作为数字化的基础技术可以渗入到诸多行业之中，在这我们以制造行业和能源行业为例子介绍数字孪生的运用示例。

1、制造业：

 数字孪生最开始是为了在制造业中运用而诞生的，故此制造业也是如今数字孪生运用的主战场。数字孪生技术贯穿了从制造到服务和运营的整个产品生命周期中。在制造阶段，通过数字化手段创建起来的虚拟生产线，将产品本身的数字孪生同生产设备、生产过程等其他形态的数字孪生高度集成起来，实现如下的功能：

 1）生产过程仿真：在产品生产制造之前，就可以通过虚拟生产制造的方式来仿真模拟在不同产品、不同参数、不同外部条件下的生产过程，实现对产能、效率以及可能出现的生产制造瓶颈等问题的提前预判，加速新产品导入的过程;

 2）数字化产线：将生产制造阶段的各类要素，如原材料、设备、工艺配方和工序要求，通过数字化的手段集成在一个紧密协作的生产过程中，并按照既定的规则，自动的完成在不同条件组合下的操作，实现自动化的生产过程；同时记录生产过程中的各类数据，为后续的深入分析和优化提供依据。

 3）关键指标值监管和过程能力评估：通过收集生产线上的各类生产设备的实时运行数据，实现全部生产过程的可视化监管，并且通过经验或者机器学习创建关键设备参数、检验指标值的监管策略，对出现违背策略的异常现象进行及时处理和调整，实现稳定并不断优化的生产过程。

 如下图所示描绘的便是某一生产流程的物理模型和数字化镜像，数字孪生对工厂环境中实际情况进行准实时虚拟复制。

 而在服务阶段，数字孪生可以实现远程监控和预测性维修、优化客户的生产指标、产品使用反馈等功能，改善用户对产品的使用体验，这些功能将伴随着物联网技术的完善和传感器成本的降低逐步投入大规模使用。

 在企业应用层面，前文提到过的通用电气就有一个基于数字孪生的系统，该软件系统可以用于管理和分析风力涡轮机，石油钻机或它们产生的飞机发动机上的数据。比如说，它们通过这个系统收集伦敦和巴黎之间航班的所有数据。这些数据被传输到数据中心，在这里生成每一个发动机的实时数字孪生。这样，通用电气便可以在飞行全过程中检测出潜在性的缺陷或故障。如果发动机的一部分引起故障，负责维护的工作人员可以在飞机将要降落的机场准备好替换零件。

2、电力行业：

 在电力行业中，数字孪生在发、输、配三个环节都有极大的运用空间，当前两大电气巨头——通用电气和西门子，都提出了完整的解决方案。以发电全过程为例，在一个数字化的发电厂中，数字孪生将基于物理的方法和高级分析功能结合起来，力争精确地复刻电厂资产的当前状态，并且可以借助这种组合方法预测电厂的老化模式、异常情况和未来行为，评估不同的场景、优化和平衡各种权衡因素，并提高电厂的效率和可靠性。

 数字孪生与智能电网的结合也是十分具备潜力的应用场景。智能电网数字孪生利用电力系统物理模型、先进计量基础设施的在线量测数据、电力系统历史运行数据，并集成电气、计算机、通信、气候、经济等多学科知识，进行的多物理量、多时空尺度、多概率的仿真全过程，通过在虚拟空间中完成对智能电网的映射，反映智能电网的生命周期全过程。

3、智慧城市：

 现如今，我们的城市铺满了各式各样的传感器、摄像头，大量的数据为数字孪生在智慧城市中的运用打下了强大的基础。借助包括5G在内的物联网技术，这些终端采集的数据可以更快地被提取出来，并加以运用。因此，智慧城市将成为数字孪生体最庞大的运用，即——数字孪生城市。

 对于智慧城市而言，数字孪生在建设和管理两个阶段也会有不同的运用。在城市建设阶段，基建工程可以说是数字孪生运用非常重要的领域。在建造高速公路、桥梁等基础设施之前，可以通过数字孪生完成对工程的数字化建模，之后在虚拟的数字空间对工程进行仿真和模拟，评估工程的结构和承受能力，还可以导入流量数据，评估工程是否可以满足投入使用后的需求。在工程交付之后，还可以在维护阶段评估工程是否可以承担特殊情况的压力。及其监测可能会出现的事故隐患。

 在建筑工程方面也是同样。对于业内人士而言，BIM（BuildingInformationModelling，建筑信息建模）是大家非常熟悉的概念，而数字孪生则是在BIM基础上的一种逻辑延伸，更加注重人们与环境如何进行交互。英国政府就非常重视数字孪生在建筑业的运用，因此出资建设英国数字建筑中心，通过“国家数字孪生计划”，支持运用数字技术来更好的设计和建造建筑，并更好的改造、维护、集成和运用建设环境。

 在城市管理阶段，通过建设数字孪生城市，将基础设施（水、电、气、交通等）的运行情况，市政资源（警力、医疗、消防等）的调配情况，通过传感器、摄像头、数字化子系统采集出来，并通过包括5G在内的物联网技术传输到云端。在采集数据后，以交互平台的形式运用这个庞大的数字孪生，以捕获和展示实时3D和4D空间数据，以便于对城市环境及建筑内部的数据传输进行建模。城市的管理人员，基于这些数据，及其城市模型，更高效地管理城市。

 现如今，许多海外城市已经在摸索数字孪生城市的运用。新加坡的“虚拟新加坡”计划、澳大利亚新南威尔士州的DigitalTwin、及其德国黑伦贝格UrbanDigtialTwin都是“智慧城市+数字孪生”的践行。下图所示便是新南威尔士州彭里斯市智慧城市某建筑的4D模型。