數(shù)字孿生：如何理解？如何應用？如何落地？
2023-11-10新聞
當前，數(shù)字孿生的各種工具、平臺和解決方案如同雨后春筍般涌現(xiàn)，試圖掀起數(shù)字孿生應用的新浪潮。然而，一些企業(yè)并未真正有實質性地投入數(shù)字孿生，只是跟風蹭熱度，以達到制造影響力，實現(xiàn)融資的目的。那么，到底應當如何理解數(shù)字孿生？數(shù)字孿生有哪些關鍵使能技術？數(shù)字孿生的典型應用案例有哪些？數(shù)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(chuàng)發(fā)布。
那么，到底應當如何理解數(shù)字孿生？數(shù)字孿生有哪些關鍵使能技術？數(shù)字孿生的典型應用案例有哪些？數(shù)字孿生應當如何落地？本文將一一闡述。
如何正確理解數(shù)字孿生？
1、數(shù)字孿生不只是幾何的，更是物理的【2】。雖然數(shù)字孿生體包含對象的幾何信息，但真正顯示數(shù)字孿生意義的是其物理信息，如產(chǎn)品在運行過程中的狀態(tài)，物理過程的仿真等。
2、數(shù)字孿生不只是靜態(tài)的，更是動態(tài)的【2】。數(shù)字孿生的意義本來就不是基于處理靜態(tài)問題。產(chǎn)品的運行過程都是動態(tài)的，只有在對動態(tài)問題更深刻認識并施于相應控制，這才是數(shù)字孿生最重要的意義所在。
3、數(shù)字孿生不僅是對象的，更是環(huán)境的、系統(tǒng)的【2】。很多人尚未意識到，數(shù)字孿生技術可以仿真人在實際問題中感知不到的某些環(huán)境。
4、數(shù)字孿生不只是針對產(chǎn)品，還有針對使用者的【2】。例如，除了汽車的數(shù)字孿生模型，還需建立駕駛者數(shù)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(shù)字孿生數(shù)據(jù)不只是產(chǎn)生在設計中，且產(chǎn)生在產(chǎn)品全生命周期內【2】。孿生數(shù)據(jù)不僅產(chǎn)生于產(chǎn)品的設計，而且在產(chǎn)品的制造、運行、維護等全生命周期過程中，都不斷地產(chǎn)生孿生數(shù)據(jù)。
6、一個物理實體不是僅對應一個數(shù)字孿生體，可能需要多個從不同側面或視角描述的數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)字孿生體。差異不僅是模型的表達形式，更重要的是孿生數(shù)據(jù)的粒度。
8、數(shù)字孿生的關鍵不僅在于孿生數(shù)據(jù)的粒度，更在于孿生數(shù)據(jù)的特別關聯(lián)【2】。請注意，這里不只是滿足于收集的數(shù)據(jù)更多更細，而且要把這些數(shù)據(jù)融合起來解決問題。這里融合是關鍵，意指數(shù)據(jù)的關聯(lián)。數(shù)據(jù)之間缺乏關聯(lián)，再多再細亦枉然。
9、數(shù)字孿生尚無固定的技術體系、模式和方法。到目前為止，數(shù)字孿生體的構造方式五花八門【2】。反映物理實體的各種數(shù)字模型似乎均可視為數(shù)字孿生模型。盡管如此，未來關于數(shù)字孿生建模的規(guī)律與方法還需眾多的實踐者去完善和豐富。
10、數(shù)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(chǎn)品設計開發(fā)階段，數(shù)字孿生體是物理實體在“孕育”階段的“胚胎”。在物理實體系統(tǒng)的運行過程中，各種過程數(shù)據(jù)又不斷地豐富數(shù)字孿生模型。在產(chǎn)品運行過程中，孿生模型對獲得的數(shù)據(jù)進行分析或仿真而獲得的衍生數(shù)據(jù)反過來又能夠優(yōu)化控制產(chǎn)品的運行。所以“共生”發(fā)生在產(chǎn)品的全生命周期。
11、數(shù)字孿生不能只是物理實體的數(shù)字表達，它應該是“物理生命體”的數(shù)字化描述【2】?！拔锢砩w”是指“孕育”過程（即實體的設計開發(fā)過程）和服役過程（運行、使用）中的物理實體（如產(chǎn)品或裝備）。數(shù)字孿生體是“物理生命體”在其服役和孕育過程中的數(shù)字化模型。
12、數(shù)字孿生模型應該先于實物對象產(chǎn)生。這是由于在工業(yè)上，研發(fā)設計階段的模型構建是產(chǎn)品全生命周期的起點，目的在于生產(chǎn)出與模型一致的物理產(chǎn)品，要求先有數(shù)字模型后有物理實體。
13、數(shù)字孿生不僅是可視化?？梢暬皇菙?shù)字孿生的呈現(xiàn)，最終還要看數(shù)字孿生的真正用途，例如通過對數(shù)字孿生模型進行模擬、預測，實現(xiàn)物理實體的運作和優(yōu)化等。
總之，數(shù)字孿生并不是一種單元的數(shù)字化技術，而是在多種使能技術迅速發(fā)展和交叉融合基礎上，通過構建物理實體所對應的數(shù)字孿生模型，并對數(shù)字孿生模型進行可視化、調試、體驗、分析與優(yōu)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(yè)推進數(shù)字化轉型的核心戰(zhàn)略舉措之一。
數(shù)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(yè)自動化硬件設備被融入到了PTC的物聯(lián)網(wǎng)框架之下，實現(xiàn)了數(shù)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(shù)字業(yè)務平臺Xcelerator與3D設計和協(xié)作平臺Omniverse，形成數(shù)字與現(xiàn)實世界精準映射的數(shù)字孿生。
? Ansys將擴展與微軟的合作，包括連接到物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字孿生、自動駕駛和飛行系統(tǒng)開發(fā)、以及使用仿真數(shù)據(jù)訓練人工智能/機器學（AI/ML）系統(tǒng)。
? 達索系統(tǒng)與IBM為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標并達成業(yè)務連續(xù)性，決定將3DEXPERIENCE平臺和數(shù)字孿生體驗，與資產(chǎn)管理、資源優(yōu)化、環(huán)境風險管理和環(huán)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(yè)用戶利用云服務，設計和模擬數(shù)字孿生。
典型的數(shù)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(shù)字孿生應用表現(xiàn)為從最初的單點探索應用轉向行業(yè)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(yè)設施、發(fā)電廠等高價值用例轉向汽車、船舶、建筑、醫(yī)療等與人們日常需求息息相關的行業(yè)。
案例一：特斯拉借助數(shù)字孿生
占據(jù)行業(yè)領先地位【4】【5】
案例二：日本船舶基于數(shù)字孿生技術
提高船舶安全性【6】
案例三：電廠運用數(shù)字孿生
邁向清潔和可持續(xù)【7】
? 鍋爐數(shù)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(shù)字孿生可以檢測煤的變化、感知環(huán)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(shù)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(shù)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(lián)合循環(huán)燃氣輪機數(shù)字孿生：聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠屬于更清潔的化石燃料發(fā)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(lián)合循環(huán)燃氣輪機數(shù)字孿生可以學習過程動態(tài)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(tài)根本原因跟新，聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機數(shù)字孿生可以防止災難性故障的發(fā)生。
? 煙氣脫硫數(shù)字孿生：在美國，燃煤發(fā)電產(chǎn)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(zhàn)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(shù)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(yōu)化每年可節(jié)省3000萬美元的整體能源和材料成本。
如今，越來越多的發(fā)電廠接受數(shù)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(shù)字孿生實現(xiàn)橋梁維護維修【6】
案例五：110千伏數(shù)字孿生變電站
讓變電站充滿智慧【8】
案例六：數(shù)字孿生
有助于患者實現(xiàn)個性化醫(yī)療【9】
數(shù)字孿生如何落地？
特斯拉將數(shù)字孿生應用于汽車的設計、生產(chǎn)、使用體驗環(huán)節(jié)，從而占據(jù)了行業(yè)領先位置；日本船舶借助數(shù)字孿生技術實時顯示船體狀態(tài)信息，提高船舶的安全性和效率；電廠采用的數(shù)字孿生技術預測當前工廠行為，并做出優(yōu)化工廠性能的規(guī)范性決策；挪威公共道路管理局采用數(shù)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(shù)字孿生技術，提升智能化水平與安全生產(chǎn)能力；個性化醫(yī)療基于數(shù)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(shù)字孿生的應用不應該追求大而全，而是取決于企業(yè)期望實現(xiàn)的目標，聚焦于適合企業(yè)自身的場景進行應用。目前，制造企業(yè)在推進數(shù)字孿生應用時，基本有兩條戰(zhàn)略實施路線【5】，一條是從產(chǎn)品數(shù)字孿生開始，基于產(chǎn)品數(shù)字孿生，實現(xiàn)虛擬樣機、虛擬仿真，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低產(chǎn)品研發(fā)成本；另外一條是從設備和車間數(shù)字孿生開始，基于設備和車間數(shù)字孿生，實現(xiàn)透明化的裝備生產(chǎn)、運維和服務。那么，應當如何落地數(shù)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(shù)字孿生實施方案是基于當前最迫切的需求，從解決企業(yè)最緊迫的問題開始。這一階段需要明確預期的數(shù)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(yōu)先級。
2、評估現(xiàn)狀。審查達成目標涉及的關鍵問題并逐個進行分析，審查現(xiàn)有基礎設施及技術基礎，確定數(shù)字孿生技術實施計劃；根據(jù)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(shù)字孿生，并根據(jù)實施進程逐步建立團隊。
4、擴展應用。隨著項目的實施，數(shù)字孿生應用需要持續(xù)改進和完善，以滿足未來需求；同時，數(shù)字孿生還面臨應用功能的擴展，包括將單個環(huán)節(jié)擴展到全生命周期，或者將更復雜的功能添加到現(xiàn)有的數(shù)字孿生中。
當然，在數(shù)字孿生的實際應用過程中，企業(yè)也會面臨數(shù)字孿生供應商的選擇問題。建議企業(yè)綜合考慮數(shù)字孿生的應用場景和需求，數(shù)字孿生產(chǎn)品的功能、特點、擴展性和定制性，數(shù)字孿生投入成本的效益，供應商的技術支持和生態(tài)系統(tǒng)等因素，來選擇適合企業(yè)自身需求的數(shù)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(shù)字孿生亦是如此。目前，各地政府和一些企業(yè)已經(jīng)對數(shù)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(guī)模應用。展望未來，隨著基礎算力的持續(xù)提升，隨著各類使能技術的蓬勃發(fā)展，隨著新一代信息技術的普及，數(shù)字孿生必將成為社會經(jīng)濟發(fā)展的強大數(shù)字底座，在越來越多的行業(yè)發(fā)揮重要價值。
免責聲明：本文轉自網(wǎng)絡，版權歸原作者所有，如涉及作品版權問題，請及時與我們聯(lián)系刪除，謝謝！
