數字孿生：如何理解？如何應用？如何落地？
2023-11-10新聞
當前，數字孿生的各種工具、平臺和解決方案如同雨后春筍般涌現，試圖掀起數字孿生應用的新浪潮。然而，一些企業并未真正有實質性地投入數字孿生，只是跟風蹭熱度，以達到制造影響力，實現融資的目的。那么，到底應當如何理解數字孿生？數字孿生有哪些關鍵使能技術？數字孿生的典型應用案例有哪些？數字孿生應當如何落地？本文將一一闡述。
本文由e-works編輯部吳星星原創發布。
那么，到底應當如何理解數字孿生？數字孿生有哪些關鍵使能技術？數字孿生的典型應用案例有哪些？數字孿生應當如何落地？本文將一一闡述。
如何正確理解數字孿生？
1、數字孿生不只是幾何的，更是物理的【2】。雖然數字孿生體包含對象的幾何信息，但真正顯示數字孿生意義的是其物理信息，如產品在運行過程中的狀態，物理過程的仿真等。
2、數字孿生不只是靜態的，更是動態的【2】。數字孿生的意義本來就不是基于處理靜態問題。產品的運行過程都是動態的，只有在對動態問題更深刻認識并施于相應控制，這才是數字孿生最重要的意義所在。
3、數字孿生不僅是對象的，更是環境的、系統的【2】。很多人尚未意識到，數字孿生技術可以仿真人在實際問題中感知不到的某些環境。
4、數字孿生不只是針對產品，還有針對使用者的【2】。例如，除了汽車的數字孿生模型，還需建立駕駛者數字孿生模型，以便在困難情況下基于特定的駕駛者行為反應，能使駕車效果進一步微調。
5、數字孿生數據不只是產生在設計中，且產生在產品全生命周期內【2】。孿生數據不僅產生于產品的設計，而且在產品的制造、運行、維護等全生命周期過程中，都不斷地產生孿生數據。
6、一個物理實體不是僅對應一個數字孿生體，可能需要多個從不同側面或視角描述的數字孿生體【2】。例如，一臺機床加工時的振動變形情況、熱變形情況、刀具與工件相互作用的情況，需要不同的數字孿生模型進行描述。
7、不同的建模者從某一個特定視角描述一個物理實體的數字孿生模型似乎應該是一樣的，但實際上可能有很大差異【2】。一個物理實體可能對應多個數字孿生體。差異不僅是模型的表達形式，更重要的是孿生數據的粒度。
8、數字孿生的關鍵不僅在于孿生數據的粒度，更在于孿生數據的特別關聯【2】。請注意，這里不只是滿足于收集的數據更多更細，而且要把這些數據融合起來解決問題。這里融合是關鍵，意指數據的關聯。數據之間缺乏關聯，再多再細亦枉然。
9、數字孿生尚無固定的技術體系、模式和方法。到目前為止，數字孿生體的構造方式五花八門【2】。反映物理實體的各種數字模型似乎均可視為數字孿生模型。盡管如此，未來關于數字孿生建模的規律與方法還需眾多的實踐者去完善和豐富。
10、數字孿生體不能只是物理實體的鏡像，而是與物理實體共生【2】。在產品設計開發階段，數字孿生體是物理實體在“孕育”階段的“胚胎”。在物理實體系統的運行過程中，各種過程數據又不斷地豐富數字孿生模型。在產品運行過程中，孿生模型對獲得的數據進行分析或仿真而獲得的衍生數據反過來又能夠優化控制產品的運行。所以“共生”發生在產品的全生命周期。
11、數字孿生不能只是物理實體的數字表達，它應該是“物理生命體”的數字化描述【2】?！拔锢砩w”是指“孕育”過程（即實體的設計開發過程）和服役過程（運行、使用）中的物理實體（如產品或裝備）。數字孿生體是“物理生命體”在其服役和孕育過程中的數字化模型。
12、數字孿生模型應該先于實物對象產生。這是由于在工業上，研發設計階段的模型構建是產品全生命周期的起點，目的在于生產出與模型一致的物理產品，要求先有數字模型后有物理實體。
13、數字孿生不僅是可視化?？梢暬皇菙底謱\生的呈現，最終還要看數字孿生的真正用途，例如通過對數字孿生模型進行模擬、預測，實現物理實體的運作和優化等。
總之，數字孿生并不是一種單元的數字化技術，而是在多種使能技術迅速發展和交叉融合基礎上，通過構建物理實體所對應的數字孿生模型，并對數字孿生模型進行可視化、調試、體驗、分析與優化，從而提升物理實體性能和運行績效的綜合性技術策略，是企業推進數字化轉型的核心戰略舉措之一。
數字孿生關鍵使能技術解析
? PTC與羅克韋爾自動化、Ansys展開合作，將Ansys的仿真能力、羅克韋爾的工業自動化硬件設備被融入到了PTC的物聯網框架之下，實現了數字孿生能力的融合與貫通。
? 西門子與英偉達建立合作伙伴關系，通過連接開放式數字業務平臺Xcelerator與3D設計和協作平臺Omniverse，形成數字與現實世界精準映射的數字孿生。
? Ansys將擴展與微軟的合作，包括連接到物聯網的數字孿生、自動駕駛和飛行系統開發、以及使用仿真數據訓練人工智能/機器學（AI/ML）系統。
? 達索系統與IBM為實現可持續發展目標并達成業務連續性，決定將3DEXPERIENCE平臺和數字孿生體驗，與資產管理、資源優化、環境風險管理和環境、社會和公司治理（ESG）解決方案相結合。
? 亞馬遜和西門子合作，將IoT TwinMaker與西門子Xcelerator解決方案集成在一起，允許工業用戶利用云服務，設計和模擬數字孿生。
典型的數字孿生應用案例
隨著基礎理論的完善，關鍵核心技術瓶頸的不斷突破，數字孿生應用表現為從最初的單點探索應用轉向行業全生命周期的全面滲透，應用價值得到進一步釋放，從航空航天、工業設施、發電廠等高價值用例轉向汽車、船舶、建筑、醫療等與人們日常需求息息相關的行業。
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
提高船舶安全性【6】
案例三：電廠運用數字孿生
邁向清潔和可持續【7】
? 鍋爐數字孿生：一個1000兆瓦機組的鍋爐每天消耗近9000噸煤，而提高和保持鍋爐的效率可以減少排放。但如何實時確定鍋爐的最佳運行設置，以響應燃料特性的變化和波動的電力需求？
鍋爐的數字孿生可以檢測煤的變化、感知環境條件和電力需求，并確定最佳操作策略，以最大限度地提高熱效率并減少鍋爐的碳排放。
鍋爐數字孿生每年可減少8~10%的氮氧化物的排放，并減少約100萬美元的煤炭消耗。同時，鍋爐數字孿生也減少了排放控制設備的負載、試劑/化學品的使用，降低了輔助功耗。
? 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化石燃料發電廠，其波動的電力需求使其能以較低的熱效率運行，但容易受到過程故障的影響。
聯合循環燃氣輪機數字孿生可以學習過程動態并實時推薦最佳設置，提高熱效率。此外，通過早期故障檢測喝動態根本原因跟新，聯合循環燃氣輪機數字孿生可以防止災難性故障的發生。
? 煙氣脫硫數字孿生：在美國，燃煤發電產生了大量的SO2，因此煙氣脫硫裝置勢在必行。但由于電力和化學品的要求，煙氣脫硫操作非常昂貴。
挑戰在于：如何調整煙氣脫硫的運行以降低泵送成本和石灰石用量，同時不影響其SOx去除效率，并保持罐中石灰石漿液的PH值？
煙氣脫硫數字孿生可以確定提供一致的SOx去除效率所需的最佳操作條件。對于一個1000兆瓦的工廠，這種實時優化每年可節省3000萬美元的整體能源和材料成本。
如今，越來越多的發電廠接受數字孿生技術，并從中獲益：減少碳足跡和排放量，同時提高全球能源的安全性和可用性。案例四：挪威公共道路管理局
利用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
有助于患者實現個性化醫療【9】
數字孿生如何落地？
特斯拉將數字孿生應用于汽車的設計、生產、使用體驗環節，從而占據了行業領先位置；日本船舶借助數字孿生技術實時顯示船體狀態信息，提高船舶的安全性和效率；電廠采用的數字孿生技術預測當前工廠行為，并做出優化工廠性能的規范性決策；挪威公共道路管理局采用數字孿生預測橋梁的剩余壽命，有助于橋梁的維護維修；變電站通過使用數字孿生技術，提升智能化水平與安全生產能力；個性化醫療基于數字孿生技術，在疾病惡化前進行準確預測、準確檢測和精準治療。
從這些案例中不難看出，數字孿生的應用不應該追求大而全，而是取決于企業期望實現的目標，聚焦于適合企業自身的場景進行應用。目前，制造企業在推進數字孿生應用時，基本有兩條戰略實施路線【5】，一條是從產品數字孿生開始，基于產品數字孿生，實現虛擬樣機、虛擬仿真，縮短產品研發周期，降低產品研發成本；另外一條是從設備和車間數字孿生開始，基于設備和車間數字孿生，實現透明化的裝備生產、運維和服務。那么，應當如何落地數字孿生？可以參照以下幾個步驟【10】展開：
1、預期目標識別和確認。理想的數字孿生實施方案是基于當前最迫切的需求，從解決企業最緊迫的問題開始。這一階段需要明確預期的數字孿生技術實施的效果；通過清晰、簡潔的列表給出目標，并標注優先級。
2、評估現狀。審查達成目標涉及的關鍵問題并逐個進行分析，審查現有基礎設施及技術基礎，確定數字孿生技術實施計劃；根據項目實施進展的時間段，進行投資成本效益和價值回報分析。
3、實施。以預期的結果為指導，采用科學的方法來實施數字孿生，并根據實施進程逐步建立團隊。
4、擴展應用。隨著項目的實施，數字孿生應用需要持續改進和完善，以滿足未來需求；同時，數字孿生還面臨應用功能的擴展，包括將單個環節擴展到全生命周期，或者將更復雜的功能添加到現有的數字孿生中。
當然，在數字孿生的實際應用過程中，企業也會面臨數字孿生供應商的選擇問題。建議企業綜合考慮數字孿生的應用場景和需求，數字孿生產品的功能、特點、擴展性和定制性，數字孿生投入成本的效益，供應商的技術支持和生態系統等因素，來選擇適合企業自身需求的數字孿生供應商。總之，任何技術的最終落地，都需要從理論轉向實際應用，數字孿生亦是如此。目前，各地政府和一些企業已經對數字孿生技術的應用展開探索，但因成本和技術問題，仍未得到大規模應用。展望未來，隨著基礎算力的持續提升，隨著各類使能技術的蓬勃發展，隨著新一代信息技術的普及，數字孿生必將成為社會經濟發展的強大數字底座，在越來越多的行業發揮重要價值。
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