數字孿生：如何理(lǐ)解？如何應用(yòng)？如何落地？
2023-11-10新聞
當前，數字孿生的(de)各種工具、平台和(hé)解決方案如同雨(yǔ)後春筍般湧現，試圖掀起數字孿生應用(yòng)的(de)新浪潮。然而，一些企業并未真正有實質性地投入數字孿生，隻是跟風蹭熱(rè)度，以達到制造影(yǐng)響力，實現融資的(de)目的(de)。那麽，到底應當如何理(lǐ)解數字孿生？數字孿生有哪些關鍵使能技術？數字孿生的(de)典型應用(yòng)案例有哪些？數字孿生應當如何落地？本文将一一闡述。
本文由e-works編輯部吳星星原創發布。
那麽，到底應當如何理(lǐ)解數字孿生？數字孿生有哪些關鍵使能技術？數字孿生的(de)典型應用(yòng)案例有哪些？數字孿生應當如何落地？本文将一一闡述。
如何正确理(lǐ)解數字孿生？
1、數字孿生不隻是幾何的(de)，更是物(wù)理(lǐ)的(de)【2】。雖然數字孿生體包含對(duì)象的(de)幾何信息，但真正顯示數字孿生意義的(de)是其物(wù)理(lǐ)信息，如産品在運行過程中的(de)狀态，物(wù)理(lǐ)過程的(de)仿真等。
2、數字孿生不隻是靜态的(de)，更是動态的(de)【2】。數字孿生的(de)意義本來(lái)就不是基于處理(lǐ)靜态問題。産品的(de)運行過程都是動态的(de)，隻有在對(duì)動态問題更深刻認識并施于相應控制，這(zhè)才是數字孿生最重要的(de)意義所在。
3、數字孿生不僅是對(duì)象的(de)，更是環境的(de)、系統的(de)【2】。很多(duō)人(rén)尚未意識到，數字孿生技術可(kě)以仿真人(rén)在實際問題中感知不到的(de)某些環境。
4、數字孿生不隻是針對(duì)産品，還(hái)有針對(duì)使用(yòng)者的(de)【2】。例如，除了(le)汽車的(de)數字孿生模型，還(hái)需建立駕駛者數字孿生模型，以便在困難情況下(xià)基于特定的(de)駕駛者行爲反應，能使駕車效果進一步微調。
5、數字孿生數據不隻是産生在設計中，且産生在産品全生命周期内【2】。孿生數據不僅産生于産品的(de)設計，而且在産品的(de)制造、運行、維護等全生命周期過程中，都不斷地産生孿生數據。
6、一個(gè)物(wù)理(lǐ)實體不是僅對(duì)應一個(gè)數字孿生體，可(kě)能需要多(duō)個(gè)從不同側面或視角描述的(de)數字孿生體【2】。例如，一台機床加工時(shí)的(de)振動變形情況、熱(rè)變形情況、刀(dāo)具與工件相互作用(yòng)的(de)情況，需要不同的(de)數字孿生模型進行描述。
7、不同的(de)建模者從某一個(gè)特定視角描述一個(gè)物(wù)理(lǐ)實體的(de)數字孿生模型似乎應該是一樣的(de)，但實際上可(kě)能有很大(dà)差異【2】。一個(gè)物(wù)理(lǐ)實體可(kě)能對(duì)應多(duō)個(gè)數字孿生體。差異不僅是模型的(de)表達形式，更重要的(de)是孿生數據的(de)粒度。
8、數字孿生的(de)關鍵不僅在于孿生數據的(de)粒度，更在于孿生數據的(de)特别關聯【2】。請注意，這(zhè)裏不隻是滿足于收集的(de)數據更多(duō)更細，而且要把這(zhè)些數據融合起來(lái)解決問題。這(zhè)裏融合是關鍵，意指數據的(de)關聯。數據之間缺乏關聯，再多(duō)再細亦枉然。
9、數字孿生尚無固定的(de)技術體系、模式和(hé)方法。到目前爲止，數字孿生體的(de)構造方式五花八門【2】。反映物(wù)理(lǐ)實體的(de)各種數字模型似乎均可(kě)視爲數字孿生模型。盡管如此，未來(lái)關于數字孿生建模的(de)規律與方法還(hái)需衆多(duō)的(de)實踐者去完善和(hé)豐富。
10、數字孿生體不能隻是物(wù)理(lǐ)實體的(de)鏡像，而是與物(wù)理(lǐ)實體共生【2】。在産品設計開發階段，數字孿生體是物(wù)理(lǐ)實體在“孕育”階段的(de)“胚胎”。在物(wù)理(lǐ)實體系統的(de)運行過程中，各種過程數據又不斷地豐富數字孿生模型。在産品運行過程中，孿生模型對(duì)獲得(de)的(de)數據進行分(fēn)析或仿真而獲得(de)的(de)衍生數據反過來(lái)又能夠優化(huà)控制産品的(de)運行。所以“共生”發生在産品的(de)全生命周期。
11、數字孿生不能隻是物(wù)理(lǐ)實體的(de)數字表達，它應該是“物(wù)理(lǐ)生命體”的(de)數字化(huà)描述【2】。“物(wù)理(lǐ)生命體”是指“孕育”過程（即實體的(de)設計開發過程）和(hé)服役過程（運行、使用(yòng)）中的(de)物(wù)理(lǐ)實體（如産品或裝備）。數字孿生體是“物(wù)理(lǐ)生命體”在其服役和(hé)孕育過程中的(de)數字化(huà)模型。
12、數字孿生模型應該先于實物(wù)對(duì)象産生。這(zhè)是由于在工業上，研發設計階段的(de)模型構建是産品全生命周期的(de)起點，目的(de)在于生産出與模型一緻的(de)物(wù)理(lǐ)産品，要求先有數字模型後有物(wù)理(lǐ)實體。
13、數字孿生不僅是可(kě)視化(huà)。可(kě)視化(huà)隻是數字孿生的(de)呈現，最終還(hái)要看數字孿生的(de)真正用(yòng)途，例如通(tōng)過對(duì)數字孿生模型進行模拟、預測，實現物(wù)理(lǐ)實體的(de)運作和(hé)優化(huà)等。
總之，數字孿生并不是一種單元的(de)數字化(huà)技術，而是在多(duō)種使能技術迅速發展和(hé)交叉融合基礎上，通(tōng)過構建物(wù)理(lǐ)實體所對(duì)應的(de)數字孿生模型，并對(duì)數字孿生模型進行可(kě)視化(huà)、調試、體驗、分(fēn)析與優化(huà)，從而提升物(wù)理(lǐ)實體性能和(hé)運行績效的(de)綜合性技術策略，是企業推進數字化(huà)轉型的(de)核心戰略舉措之一。
數字孿生關鍵使能技術解析
◉ PTC與羅克韋爾自動化(huà)、Ansys展開合作，将Ansys的(de)仿真能力、羅克韋爾的(de)工業自動化(huà)硬件設備被融入到了(le)PTC的(de)物(wù)聯網框架之下(xià)，實現了(le)數字孿生能力的(de)融合與貫通(tōng)。
◉ 西門子與英偉達建立合作夥伴關系，通(tōng)過連接開放式數字業務平台Xcelerator與3D設計和(hé)協作平台Omniverse，形成數字與現實世界精準映射的(de)數字孿生。
◉ Ansys将擴展與微軟的(de)合作，包括連接到物(wù)聯網的(de)數字孿生、自動駕駛和(hé)飛(fēi)行系統開發、以及使用(yòng)仿真數據訓練人(rén)工智能/機器學（AI/ML）系統。
◉ 達索系統與IBM爲實現可(kě)持續發展目标并達成業務連續性，決定将3DEXPERIENCE平台和(hé)數字孿生體驗，與資産管理(lǐ)、資源優化(huà)、環境風險管理(lǐ)和(hé)環境、社會和(hé)公司治理(lǐ)（ESG）解決方案相結合。
◉ 亞馬遜和(hé)西門子合作，将IoT TwinMaker與西門子Xcelerator解決方案集成在一起，允許工業用(yòng)戶利用(yòng)雲服務，設計和(hé)模拟數字孿生。
典型的(de)數字孿生應用(yòng)案例
随著(zhe)基礎理(lǐ)論的(de)完善，關鍵核心技術瓶頸的(de)不斷突破，數字孿生應用(yòng)表現爲從最初的(de)單點探索應用(yòng)轉向行業全生命周期的(de)全面滲透，應用(yòng)價值得(de)到進一步釋放，從航空航天、工業設施、發電廠等高(gāo)價值用(yòng)例轉向汽車、船舶、建築、醫療等與人(rén)們日常需求息息相關的(de)行業。
案例一：特斯拉借助數字孿生
占據行業領先地位【4】【5】
案例二：日本船舶基于數字孿生技術
提高(gāo)船舶安全性【6】
案例三：電廠運用(yòng)數字孿生
邁向清潔和(hé)可(kě)持續【7】
◉ 鍋爐數字孿生：一個(gè)1000兆瓦機組的(de)鍋爐每天消耗近9000噸煤，而提高(gāo)和(hé)保持鍋爐的(de)效率可(kě)以減少排放。但如何實時(shí)确定鍋爐的(de)最佳運行設置，以響應燃料特性的(de)變化(huà)和(hé)波動的(de)電力需求？
鍋爐的(de)數字孿生可(kě)以檢測煤的(de)變化(huà)、感知環境條件和(hé)電力需求，并确定最佳操作策略，以最大(dà)限度地提高(gāo)熱(rè)效率并減少鍋爐的(de)碳排放。
鍋爐數字孿生每年可(kě)減少8~10%的(de)氮氧化(huà)物(wù)的(de)排放，并減少約100萬美(měi)元的(de)煤炭消耗。同時(shí)，鍋爐數字孿生也(yě)減少了(le)排放控制設備的(de)負載、試劑/化(huà)學品的(de)使用(yòng)，降低了(le)輔助功耗。
◉ 聯合循環燃氣輪機數字孿生：聯合循環發電廠屬于更清潔的(de)化(huà)石燃料發電廠，其波動的(de)電力需求使其能以較低的(de)熱(rè)效率運行，但容易受到過程故障的(de)影(yǐng)響。
聯合循環燃氣輪機數字孿生可(kě)以學習(xí)過程動态并實時(shí)推薦最佳設置，提高(gāo)熱(rè)效率。此外，通(tōng)過早期故障檢測喝動态根本原因跟新，聯合循環燃氣輪機數字孿生可(kě)以防止災難性故障的(de)發生。
◉ 煙(yān)氣脫硫數字孿生：在美(měi)國，燃煤發電産生了(le)大(dà)量的(de)SO2，因此煙(yān)氣脫硫裝置勢在必行。但由于電力和(hé)化(huà)學品的(de)要求，煙(yān)氣脫硫操作非常昂貴。
挑戰在于：如何調整煙(yān)氣脫硫的(de)運行以降低泵送成本和(hé)石灰石用(yòng)量，同時(shí)不影(yǐng)響其SOx去除效率，并保持罐中石灰石漿液的(de)PH值？
煙(yān)氣脫硫數字孿生可(kě)以确定提供一緻的(de)SOx去除效率所需的(de)最佳操作條件。對(duì)于一個(gè)1000兆瓦的(de)工廠，這(zhè)種實時(shí)優化(huà)每年可(kě)節省3000萬美(měi)元的(de)整體能源和(hé)材料成本。
如今，越來(lái)越多(duō)的(de)發電廠接受數字孿生技術，并從中獲益：減少碳足迹和(hé)排放量，同時(shí)提高(gāo)全球能源的(de)安全性和(hé)可(kě)用(yòng)性。案例四：挪威公共道路管理(lǐ)局
利用(yòng)數字孿生實現橋梁維護維修【6】
案例五：110千伏數字孿生變電站
讓變電站充滿智慧【8】
案例六：數字孿生
有助于患者實現個(gè)性化(huà)醫療【9】
數字孿生如何落地？
特斯拉将數字孿生應用(yòng)于汽車的(de)設計、生産、使用(yòng)體驗環節，從而占據了(le)行業領先位置；日本船舶借助數字孿生技術實時(shí)顯示船體狀态信息，提高(gāo)船舶的(de)安全性和(hé)效率；電廠采用(yòng)的(de)數字孿生技術預測當前工廠行爲，并做(zuò)出優化(huà)工廠性能的(de)規範性決策；挪威公共道路管理(lǐ)局采用(yòng)數字孿生預測橋梁的(de)剩餘壽命，有助于橋梁的(de)維護維修；變電站通(tōng)過使用(yòng)數字孿生技術，提升智能化(huà)水(shuǐ)平與安全生産能力；個(gè)性化(huà)醫療基于數字孿生技術，在疾病惡化(huà)前進行準确預測、準确檢測和(hé)精準治療。
從這(zhè)些案例中不難看出，數字孿生的(de)應用(yòng)不應該追求大(dà)而全，而是取決于企業期望實現的(de)目标，聚焦于适合企業自身的(de)場(chǎng)景進行應用(yòng)。目前，制造企業在推進數字孿生應用(yòng)時(shí)，基本有兩條戰略實施路線【5】，一條是從産品數字孿生開始，基于産品數字孿生，實現虛拟樣機、虛拟仿真，縮短産品研發周期，降低産品研發成本；另外一條是從設備和(hé)車間數字孿生開始，基于設備和(hé)車間數字孿生，實現透明(míng)化(huà)的(de)裝備生産、運維和(hé)服務。那麽，應當如何落地數字孿生？可(kě)以參照(zhào)以下(xià)幾個(gè)步驟【10】展開：
1、預期目标識别和(hé)确認。理(lǐ)想的(de)數字孿生實施方案是基于當前最迫切的(de)需求，從解決企業最緊迫的(de)問題開始。這(zhè)一階段需要明(míng)确預期的(de)數字孿生技術實施的(de)效果；通(tōng)過清晰、簡潔的(de)列表給出目标，并标注優先級。
2、評估現狀。審查達成目标涉及的(de)關鍵問題并逐個(gè)進行分(fēn)析，審查現有基礎設施及技術基礎，确定數字孿生技術實施計劃；根據項目實施進展的(de)時(shí)間段，進行投資成本效益和(hé)價值回報分(fēn)析。
3、實施。以預期的(de)結果爲指導，采用(yòng)科學的(de)方法來(lái)實施數字孿生，并根據實施進程逐步建立團隊。
4、擴展應用(yòng)。随著(zhe)項目的(de)實施，數字孿生應用(yòng)需要持續改進和(hé)完善，以滿足未來(lái)需求；同時(shí)，數字孿生還(hái)面臨應用(yòng)功能的(de)擴展，包括将單個(gè)環節擴展到全生命周期，或者将更複雜(zá)的(de)功能添加到現有的(de)數字孿生中。
當然，在數字孿生的(de)實際應用(yòng)過程中，企業也(yě)會面臨數字孿生供應商的(de)選擇問題。建議(yì)企業綜合考慮數字孿生的(de)應用(yòng)場(chǎng)景和(hé)需求，數字孿生産品的(de)功能、特點、擴展性和(hé)定制性，數字孿生投入成本的(de)效益，供應商的(de)技術支持和(hé)生态系統等因素，來(lái)選擇适合企業自身需求的(de)數字孿生供應商。總之，任何技術的(de)最終落地，都需要從理(lǐ)論轉向實際應用(yòng)，數字孿生亦是如此。目前，各地政府和(hé)一些企業已經對(duì)數字孿生技術的(de)應用(yòng)展開探索，但因成本和(hé)技術問題，仍未得(de)到大(dà)規模應用(yòng)。展望未來(lái)，随著(zhe)基礎算(suàn)力的(de)持續提升，随著(zhe)各類使能技術的(de)蓬勃發展，随著(zhe)新一代信息技術的(de)普及，數字孿生必将成爲社會經濟發展的(de)強大(dà)數字底座，在越來(lái)越多(duō)的(de)行業發揮重要價值。
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