數(shù)字孿生：如何理解？如何應(yīng)用？如何落地？
2023-11-10新聞
當(dāng)前，數(shù)字孿生的各種工具、平臺(tái)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(yīng)用的新浪潮。然而，一些企業(yè)并未真正有實(shí)質(zhì)性地投入數(shù)字孿生，只是跟風(fēng)蹭熱度，以達(dá)到制造影響力，實(shí)現(xiàn)融資的目的。那么，到底應(yīng)當(dāng)如何理解數(shù)字孿生？數(shù)字孿生有哪些關(guān)鍵使能技術(shù)？數(shù)字孿生的典型應(yīng)用案例有哪些？數(shù)字孿生應(yīng)當(dāng)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(yīng)當(dāng)如何理解數(shù)字孿生？數(shù)字孿生有哪些關(guān)鍵使能技術(shù)？數(shù)字孿生的典型應(yīng)用案例有哪些？數(shù)字孿生應(yīng)當(dāng)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(duì)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(yùn)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(dòng)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(yùn)行過程都是動(dòng)態(tài)的，只有在對(duì)動(dòng)態(tài)問題更深刻認(rèn)識(shí)并施于相應(yīng)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(duì)象的，更是環(huán)境的、系統(tǒng)的【2】。很多人尚未意識(shí)到，數(shù)字孿生技術(shù)可以仿真人在實(shí)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(duì)產(chǎn)品，還有針對(duì)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(yīng)，能使駕車效果進(jìn)一步微調(diào)。
5、數(shù)字孿生數(shù)據(jù)不只是產(chǎn)生在設(shè)計(jì)中，且產(chǎn)生在產(chǎn)品全生命周期內(nèi)【2】。孿生數(shù)據(jù)不僅產(chǎn)生于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，而且在產(chǎn)品的制造、運(yùn)行、維護(hù)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(gè)物理實(shí)體不是僅對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)字孿生體，可能需要多個(gè)從不同側(cè)面或視角描述的數(shù)字孿生體【2】。例如，一臺(tái)機(jī)床加工時(shí)的振動(dòng)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(jìn)行描述。
7、不同的建模者從某一個(gè)特定視角描述一個(gè)物理實(shí)體的數(shù)字孿生模型似乎應(yīng)該是一樣的，但實(shí)際上可能有很大差異【2】。一個(gè)物理實(shí)體可能對(duì)應(yīng)多個(gè)數(shù)字孿生體。差異不僅是模型的表達(dá)形式，更重要的是孿生數(shù)據(jù)的粒度。
8、數(shù)字孿生的關(guān)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(guān)聯(lián)【2】。請(qǐng)注意，這里不只是滿足于收集的數(shù)據(jù)更多更細(xì)，而且要把這些數(shù)據(jù)融合起來解決問題。這里融合是關(guān)鍵，意指數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。數(shù)據(jù)之間缺乏關(guān)聯(lián)，再多再細(xì)亦枉然。
9、數(shù)字孿生尚無固定的技術(shù)體系、模式和方法。到目前為止，數(shù)字孿生體的構(gòu)造方式五花八門【2】。反映物理實(shí)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(guān)于數(shù)字孿生建模的規(guī)律與方法還需眾多的實(shí)踐者去完善和豐富。
10、數(shù)字孿生體不能只是物理實(shí)體的鏡像，而是與物理實(shí)體共生【2】。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)階段，數(shù)字孿生體是物理實(shí)體在“孕育”階段的“胚胎”。在物理實(shí)體系統(tǒng)的運(yùn)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(yùn)行過程中，孿生模型對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)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(yùn)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(shí)體的數(shù)字表達(dá)，它應(yīng)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(shí)體的設(shè)計(jì)開發(fā)過程）和服役過程（運(yùn)行、使用）中的物理實(shí)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(yīng)該先于實(shí)物對(duì)象產(chǎn)生。這是由于在工業(yè)上，研發(fā)設(shè)計(jì)階段的模型構(gòu)建是產(chǎn)品全生命周期的起點(diǎn)，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(shí)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(duì)數(shù)字孿生模型進(jìn)行模擬、預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體的運(yùn)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(shù)，而是在多種使能技術(shù)迅速發(fā)展和交叉融合基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建物理實(shí)體所對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生模型，并對(duì)數(shù)字孿生模型進(jìn)行可視化、調(diào)試、體驗(yàn)、分析與優(yōu)化，從而提升物理實(shí)體性能和運(yùn)行績(jī)效的綜合性技術(shù)策略，是企業(yè)推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心戰(zhàn)略舉措之一。
數(shù)字孿生關(guān)鍵使能技術(shù)解析
? PTC與羅克韋爾自動(dòng)化、Ansys展開合作，將Ansys的仿真能力、羅克韋爾的工業(yè)自動(dòng)化硬件設(shè)備被融入到了PTC的物聯(lián)網(wǎng)框架之下，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字孿生能力的融合與貫通。
? 西門子與英偉達(dá)建立合作伙伴關(guān)系，通過連接開放式數(shù)字業(yè)務(wù)平臺(tái)Xcelerator與3D設(shè)計(jì)和協(xié)作平臺(tái)Omniverse，形成數(shù)字與現(xiàn)實(shí)世界精準(zhǔn)映射的數(shù)字孿生。
? Ansys將擴(kuò)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(dòng)駕駛和飛行系統(tǒng)開發(fā)、以及使用仿真數(shù)據(jù)訓(xùn)練人工智能/機(jī)器學(xué)（AI/ML）系統(tǒng)。
? 達(dá)索系統(tǒng)與IBM為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)并達(dá)成業(yè)務(wù)連續(xù)性，決定將3DEXPERIENCE平臺(tái)和數(shù)字孿生體驗(yàn)，與資產(chǎn)管理、資源優(yōu)化、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理和環(huán)境、社會(huì)和公司治理（ESG）解決方案相結(jié)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(wù)，設(shè)計(jì)和模擬數(shù)字孿生。
典型的數(shù)字孿生應(yīng)用案例
隨著基礎(chǔ)理論的完善，關(guān)鍵核心技術(shù)瓶頸的不斷突破，數(shù)字孿生應(yīng)用表現(xiàn)為從最初的單點(diǎn)探索應(yīng)用轉(zhuǎn)向行業(yè)全生命周期的全面滲透，應(yīng)用價(jià)值得到進(jìn)一步釋放，從航空航天、工業(yè)設(shè)施、發(fā)電廠等高價(jià)值用例轉(zhuǎn)向汽車、船舶、建筑、醫(yī)療等與人們?nèi)粘Ｐ枨笙⑾⑾嚓P(guān)的行業(yè)。
案例一：特斯拉借助數(shù)字孿生
占據(jù)行業(yè)領(lǐng)先地位【4】【5】
案例二：日本船舶基于數(shù)字孿生技術(shù)
提高船舶安全性【6】
案例三：電廠運(yùn)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(gè)1000兆瓦機(jī)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(shí)時(shí)確定鍋爐的最佳運(yùn)行設(shè)置，以響應(yīng)燃料特性的變化和波動(dòng)的電力需求？
鍋爐的數(shù)字孿生可以檢測(cè)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(shí)，鍋爐數(shù)字孿生也減少了排放控制設(shè)備的負(fù)載、試劑/化學(xué)品的使用，降低了輔助功耗。
? 聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)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(dòng)的電力需求使其能以較低的熱效率運(yùn)行，但容易受到過程故障的影響。
聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)字孿生可以學(xué)習(xí)過程動(dòng)態(tài)并實(shí)時(shí)推薦最佳設(shè)置，提高熱效率。此外，通過早期故障檢測(cè)喝動(dòng)態(tài)根本原因跟新，聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)數(shù)字孿生可以防止災(zāi)難性故障的發(fā)生。
? 煙氣脫硫數(shù)字孿生：在美國(guó)，燃煤發(fā)電產(chǎn)生了大量的SO2，因此煙氣脫硫裝置勢(shì)在必行。但由于電力和化學(xué)品的要求，煙氣脫硫操作非常昂貴。
挑戰(zhàn)在于：如何調(diào)整煙氣脫硫的運(yùn)行以降低泵送成本和石灰石用量，同時(shí)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(duì)于一個(gè)1000兆瓦的工廠，這種實(shí)時(shí)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(shù)，并從中獲益：減少碳足跡和排放量，同時(shí)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(shí)現(xiàn)橋梁維護(hù)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(shí)現(xiàn)個(gè)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(yīng)用于汽車的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用體驗(yàn)環(huán)節(jié)，從而占據(jù)了行業(yè)領(lǐng)先位置；日本船舶借助數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)時(shí)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(shù)預(yù)測(cè)當(dāng)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(yù)測(cè)橋梁的剩余壽命，有助于橋梁的維護(hù)維修；變電站通過使用數(shù)字孿生技術(shù)，提升智能化水平與安全生產(chǎn)能力；個(gè)性化醫(yī)療基于數(shù)字孿生技術(shù)，在疾病惡化前進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、準(zhǔn)確檢測(cè)和精準(zhǔn)治療。
從這些案例中不難看出，數(shù)字孿生的應(yīng)用不應(yīng)該追求大而全，而是取決于企業(yè)期望實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，聚焦于適合企業(yè)自身的場(chǎng)景進(jìn)行應(yīng)用。目前，制造企業(yè)在推進(jìn)數(shù)字孿生應(yīng)用時(shí)，基本有兩條戰(zhàn)略實(shí)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(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)、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(shè)備和車間數(shù)字孿生開始，基于設(shè)備和車間數(shù)字孿生，實(shí)現(xiàn)透明化的裝備生產(chǎn)、運(yùn)維和服務(wù)。那么，應(yīng)當(dāng)如何落地?cái)?shù)字孿生？可以參照以下幾個(gè)步驟【10】展開：
1、預(yù)期目標(biāo)識(shí)別和確認(rèn)。理想的數(shù)字孿生實(shí)施方案是基于當(dāng)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(yù)期的數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)施的效果；通過清晰、簡(jiǎn)潔的列表給出目標(biāo)，并標(biāo)注優(yōu)先級(jí)。
2、評(píng)估現(xiàn)狀。審查達(dá)成目標(biāo)涉及的關(guān)鍵問題并逐個(gè)進(jìn)行分析，審查現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施及技術(shù)基礎(chǔ)，確定數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)施計(jì)劃；根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施進(jìn)展的時(shí)間段，進(jìn)行投資成本效益和價(jià)值回報(bào)分析。
3、實(shí)施。以預(yù)期的結(jié)果為指導(dǎo)，采用科學(xué)的方法來實(shí)施數(shù)字孿生，并根據(jù)實(shí)施進(jìn)程逐步建立團(tuán)隊(duì)。
4、擴(kuò)展應(yīng)用。隨著項(xiàng)目的實(shí)施，數(shù)字孿生應(yīng)用需要持續(xù)改進(jìn)和完善，以滿足未來需求；同時(shí)，數(shù)字孿生還面臨應(yīng)用功能的擴(kuò)展，包括將單個(gè)環(huán)節(jié)擴(kuò)展到全生命周期，或者將更復(fù)雜的功能添加到現(xiàn)有的數(shù)字孿生中。
當(dāng)然，在數(shù)字孿生的實(shí)際應(yīng)用過程中，企業(yè)也會(huì)面臨數(shù)字孿生供應(yīng)商的選擇問題。建議企業(yè)綜合考慮數(shù)字孿生的應(yīng)用場(chǎng)景和需求，數(shù)字孿生產(chǎn)品的功能、特點(diǎn)、擴(kuò)展性和定制性，數(shù)字孿生投入成本的效益，供應(yīng)商的技術(shù)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(yīng)商。總之，任何技術(shù)的最終落地，都需要從理論轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)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(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用展開探索，但因成本和技術(shù)問題，仍未得到大規(guī)模應(yīng)用。展望未來，隨著基礎(chǔ)算力的持續(xù)提升，隨著各類使能技術(shù)的蓬勃發(fā)展，隨著新一代信息技術(shù)的普及，數(shù)字孿生必將成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的強(qiáng)大數(shù)字底座，在越來越多的行業(yè)發(fā)揮重要價(jià)值。
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