數(shù)字孿生創(chuàng)建一個(gè)虛擬的“自己”

數(shù)字孿生工廠、數(shù)字孿生城市、數(shù)字孿生建筑……如今，數(shù)字孿生的應(yīng)用日益廣泛，人們對(duì)數(shù)字孿生的關(guān)注度也與日俱增。那到底什么是數(shù)字孿生，它又將給人們的工作生活帶來(lái)哪些變化？接下來(lái)，我們一一揭開(kāi)數(shù)字孿生的神秘面紗。

1 數(shù)字孿生也稱(chēng)數(shù)字鏡像

數(shù)字孿生也稱(chēng)為數(shù)字映射和數(shù)字鏡像，它是在數(shù)字世界中建立與物理實(shí)體的性能完全一致，且可對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真的模型。通過(guò)實(shí)時(shí)感知物理實(shí)體的狀況和環(huán)境，數(shù)字孿生體隨物理實(shí)體而演變，保持高度保真性。同時(shí)，通過(guò)在數(shù)字孿生上的仿真、推演和預(yù)測(cè)分析，反過(guò)來(lái)作用于物理實(shí)體。

數(shù)字孿生概念可追溯到1970年美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的阿波羅項(xiàng)目。NASA建設(shè)了一套完整的、高水準(zhǔn)的地面半物理仿真系統(tǒng)，用于培訓(xùn)宇航員和控制人員，包括模擬多種故障場(chǎng)景的處理。這一仿真系統(tǒng)包含各式各樣功能的模擬器，由聯(lián)網(wǎng)的多臺(tái)計(jì)算機(jī)控制。指令艙模擬器用了四臺(tái)計(jì)算機(jī)，登月艙模擬器用了三臺(tái)計(jì)算機(jī)。在模擬培訓(xùn)中，唯一真實(shí)的東西是乘員、座艙和任務(wù)控制臺(tái)，其他所有的一切，都是由很多計(jì)算機(jī)、許多的公式以及經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員仿真而創(chuàng)造出來(lái)的。

2003年，美國(guó)密歇根大學(xué)的邁克爾·格里夫斯教授針對(duì)設(shè)備全生命周期管理，提出了物理實(shí)體的虛擬數(shù)字表達(dá)，并提出了三維模型，但當(dāng)時(shí)并沒(méi)有用數(shù)字孿生這個(gè)術(shù)語(yǔ)。

NASA在其特定的工程實(shí)踐中，首先認(rèn)識(shí)到了建設(shè)物理孿生的重要性。隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，特別是軟件技術(shù)與仿真技術(shù)的高度發(fā)展，使得各種物理孿生對(duì)象，從功能上、行為上完全可以用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行仿真替代，在此基礎(chǔ)上，很自然地提出了數(shù)字孿生概念。2012年，NASA在其發(fā)布的技術(shù)路線圖的“Simulation-Based Systems Engineering”部分中，首次提出了數(shù)字孿生（Digital Twins）的概念。

2015年以來(lái)，西門(mén)子，GE等公司將數(shù)字孿生應(yīng)用到工業(yè)界，開(kāi)發(fā)了工業(yè)系統(tǒng)、醫(yī)療系統(tǒng)的數(shù)字孿生。

2017—2019年，Gartner連續(xù)三年將數(shù)字孿生列入十大戰(zhàn)略性技術(shù)。數(shù)字孿生引起廣泛關(guān)注和高度重視，開(kāi)始在各行各業(yè)獲得應(yīng)用。

2 與常規(guī)數(shù)值仿真不同

事實(shí)上，數(shù)字孿生不同于常規(guī)數(shù)值仿真。數(shù)字孿生的主要功能是對(duì)物理實(shí)體的仿真，與常規(guī)數(shù)值仿真相比，在內(nèi)涵和支撐技術(shù)方面都有所不同：

1）數(shù)字孿生和常規(guī)數(shù)值仿真相比，具有高保真性，體現(xiàn)了數(shù)字孿生中“孿生”的含義。

2）常規(guī)數(shù)值仿真采用不變或不經(jīng)常變的模型，數(shù)字孿生是“活模型”，隨物理實(shí)體的狀態(tài)及運(yùn)行環(huán)境變化而同步跟蹤并實(shí)時(shí)演變。

3)常規(guī)數(shù)值仿真和物理實(shí)體之間是開(kāi)環(huán)關(guān)系，而數(shù)字孿生和物理實(shí)體構(gòu)成閉環(huán)。一方面，數(shù)字孿生需要實(shí)時(shí)感知物理實(shí)體并隨實(shí)體而演變，另一方面，在數(shù)字孿生上進(jìn)行的仿真、推演、預(yù)測(cè)結(jié)果，將反饋給物理實(shí)體，支持物理實(shí)體的決策。

4）常規(guī)數(shù)值仿真大多采用機(jī)理建模方法構(gòu)建模型，而建立數(shù)字孿生時(shí)，可以采用機(jī)理模型建模方法，更多情況下需要采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法或數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和機(jī)理模型建模相結(jié)合的方法。

5）常規(guī)數(shù)值仿真通常是單物理場(chǎng)、單時(shí)間尺度的，因數(shù)字孿生需要關(guān)注物理實(shí)體的全生命周期過(guò)程、各方面的特性，通常需要建立多時(shí)間尺度、多物理場(chǎng)的仿真模型。

6）常規(guī)數(shù)值仿真需要的技術(shù)較為單一，了解物理實(shí)體的物理特性，并利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)編程即可。數(shù)字孿生需要先進(jìn)的傳感技術(shù)，通信技術(shù)，云邊協(xié)同技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸、儲(chǔ)存、處理和分析技術(shù)，人工智能技術(shù)，AR、VR和其他先進(jìn)的可視化技術(shù)。

3 大大減少試錯(cuò)成本

建造物理實(shí)體的物理孿生代價(jià)太大，而且嚴(yán)格意義上，物理實(shí)體獨(dú)一無(wú)二，無(wú)法實(shí)現(xiàn)兩個(gè)物理實(shí)體的完全一致。另一方面，在物理實(shí)體上試錯(cuò)成本高。例如，在真實(shí)電力系統(tǒng)中做故障試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)很大。運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，可以在不改變?cè)形锢韺?shí)體的情況下，“克隆”出與之高度相似的數(shù)字實(shí)體，在數(shù)字世界中可以看到物理實(shí)體的各種特性，并且可以在數(shù)字孿生上模擬不同的“假設(shè)-分析”場(chǎng)景，并對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行性能改進(jìn)，可以提前知道某項(xiàng)決策運(yùn)用在物理實(shí)體上是否可行，因此，可大大減少試錯(cuò)成本。

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，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(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。數(shù)字孿生與傳統(tǒng)的數(shù)值仿真相比，內(nèi)涵和功能更加豐富，支撐技術(shù)更全面和先進(jìn)。

數(shù)字孿生概念已提出多年，直到近兩三年才引起廣泛重視，這是因?yàn)閿?shù)字孿生的支撐技術(shù)如傳感技術(shù)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，為數(shù)字孿生的落地應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，另一方面，也是各行各業(yè)的智能化、數(shù)字化發(fā)展目標(biāo)與數(shù)字孿生相契合。

4 應(yīng)用領(lǐng)域備受關(guān)注

數(shù)字孿生已引起各行各業(yè)的重視，其中最受關(guān)注的行業(yè)是制造、城市管理、電力、醫(yī)療，用于支持智能制造、智慧城市、新型電力系統(tǒng)和精準(zhǔn)醫(yī)療。

數(shù)字孿生支撐智慧城市。在城市數(shù)字孿生建設(shè)方面，新加坡走在前列。新加坡政府耗資7300萬(wàn)新元，創(chuàng)建了整座城市的實(shí)時(shí)數(shù)字孿生，政府人員可以在政策真正實(shí)施之前，在數(shù)字孿生上進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，并測(cè)試各種場(chǎng)景。

此外，英國(guó)在BIM基礎(chǔ)上建立一個(gè)公共基礎(chǔ)設(shè)施的國(guó)家數(shù)字孿生模型；意大利熱那亞市莫蘭迪橋倒塌后，創(chuàng)建了數(shù)字孿生模型，使用Bentley的開(kāi)放式建模和模擬應(yīng)用程序。歐盟也在建設(shè)城市數(shù)字孿生，用于能源和CO2模擬，污染和交通的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，城市規(guī)劃和運(yùn)營(yíng)，資產(chǎn)管理等，帶來(lái)更高的運(yùn)營(yíng)效率、更好的危機(jī)管理、更明智的決策、更具參與性的治理，讓城市更具流動(dòng)性和宜居性。

數(shù)字孿生支撐智能制造。應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)制造中涉及的產(chǎn)品、現(xiàn)場(chǎng)、過(guò)程和人，進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬并實(shí)現(xiàn)協(xié)同管理。對(duì)于產(chǎn)品，需關(guān)注其全生命周期，從設(shè)計(jì)到投運(yùn)、在用戶(hù)環(huán)境中的運(yùn)行維護(hù)，直到報(bào)廢；對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)，需建立工廠、車(chē)間的虛擬現(xiàn)場(chǎng)-模擬復(fù)雜的制造和運(yùn)行環(huán)境；過(guò)程是指整個(gè)的制造和運(yùn)行過(guò)程；對(duì)于人而言，不僅要模擬人的行為，還需要把工作信息發(fā)送給工作人員，或?qū)⒐ぷ魅藛T的信息傳送過(guò)來(lái)，改善效率和質(zhì)量。

特斯拉在電動(dòng)汽車(chē)制造中應(yīng)用了數(shù)字孿生技術(shù)。特斯拉擁有其制造的每輛汽車(chē)的數(shù)字孿生，用于在汽車(chē)和工廠之間不斷交換數(shù)據(jù)。特斯拉通過(guò)這些數(shù)字孿生，不斷調(diào)整和測(cè)試產(chǎn)品性能。在自動(dòng)駕駛方面，特斯拉創(chuàng)建駕駛員及其行為、汽車(chē)及其行為方式、道路上的其他汽車(chē)和道路本身的數(shù)字孿生。通過(guò)捕獲大量數(shù)據(jù)和深入分析這些數(shù)據(jù)，有助于解釋自動(dòng)駕駛中人、車(chē)的復(fù)雜行為，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的自動(dòng)駕駛。

數(shù)字孿生支撐精準(zhǔn)醫(yī)療。在現(xiàn)代醫(yī)療中，診斷方案往往依賴(lài)于對(duì)少數(shù)病例的試驗(yàn)結(jié)果，未必適合每個(gè)個(gè)體。應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)、處理和整合來(lái)自醫(yī)用可穿戴設(shè)備、模型數(shù)據(jù)組、醫(yī)療影像和電子病歷等大量數(shù)據(jù)生成個(gè)體的數(shù)字孿生。用數(shù)千種藥物對(duì)這些數(shù)字孿生體進(jìn)行計(jì)算治療，以確定性能最好的藥物?；跀?shù)字孿生的精準(zhǔn)醫(yī)療的原則是：“可以在計(jì)算機(jī)模型上犯錯(cuò)誤而不是在人身上”。

數(shù)字孿生支撐新一代電力系統(tǒng)。數(shù)字孿生在電力系統(tǒng)有很好的應(yīng)用前景，應(yīng)用場(chǎng)景很多，幾乎可覆蓋電力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)、各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域。發(fā)電環(huán)節(jié)，數(shù)字孿生可應(yīng)用于短期新能源發(fā)電功率預(yù)測(cè)，風(fēng)機(jī)、光伏系統(tǒng)故障診斷、抽水蓄能機(jī)組故障檢測(cè)和識(shí)別；在輸配電系統(tǒng)，借助數(shù)字孿生，可實(shí)現(xiàn)輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)在線仿真，實(shí)現(xiàn)仿真的保真性。

針對(duì)輸變電設(shè)備，應(yīng)用數(shù)字孿生，可進(jìn)行電纜健康評(píng)估、變電站/變壓器運(yùn)維。

電池儲(chǔ)能的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在電池儲(chǔ)能運(yùn)行中，需了解電池的SoH和SoC情況，建立數(shù)字孿生可對(duì)SoH和SoC進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)評(píng)估，不僅可應(yīng)用于電網(wǎng)用儲(chǔ)能，也可應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能。

在用戶(hù)側(cè)，通過(guò)建立綜合能源系統(tǒng)數(shù)字孿生、供電系統(tǒng)的數(shù)字孿生，提高能源管理水平。在調(diào)控環(huán)節(jié)，應(yīng)用數(shù)字孿生，可以建立毫秒級(jí)變化的電力系統(tǒng)數(shù)字孿生，實(shí)時(shí)在線實(shí)時(shí)仿真，建立源網(wǎng)荷儲(chǔ)數(shù)字孿生，支持源網(wǎng)荷儲(chǔ)協(xié)同管理。