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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。

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              
 - 文章信息 - 


本文由e-works編輯部吳星星原創(chuàng)發(fā)布。


實(shí)際上,整體的行業(yè)感知是,數(shù)字孿生應(yīng)用仍處于非常初級(jí)的階段,規(guī)?;⒊墒旎?、商業(yè)化地應(yīng)用數(shù)字孿生仍有很長(zhǎng)一段路要走。

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?


中國(guó)工程院李培根院士認(rèn)為【1】,數(shù)字孿生的關(guān)鍵在于和物理生命體的“共生”,所謂共生就是全生命周期,數(shù)字孿生體是和物理實(shí)體應(yīng)聯(lián)系在一起。數(shù)字孿生體是描述物理對(duì)象在其全生命周期中與其系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程“共生” 的數(shù)字化模型。數(shù)字孿生模型的信息包括幾何、物理、環(huán)境、過程。筆者認(rèn)為,數(shù)字孿生是一個(gè)伴隨著多種技術(shù)不斷發(fā)展的,一個(gè)長(zhǎng)期的、綜合的、動(dòng)態(tài)的、不斷進(jìn)化的過程。鑒于當(dāng)下人們對(duì)于數(shù)字孿生還存在一些模糊認(rèn)識(shí),甚至誤解,因而有必要重新認(rèn)識(shí)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


在數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代,數(shù)字孿生作為實(shí)現(xiàn)各行各業(yè)智能化、數(shù)字化的重要手段之一,受到了各方的廣泛重視。隨著各項(xiàng)關(guān)鍵使能技術(shù)的不斷發(fā)展,數(shù)字孿生的應(yīng)用價(jià)值有望得到進(jìn)一步釋放。這些關(guān)鍵使能技術(shù)包括建模、渲染、仿真、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬調(diào)試、可視化等,他們的蓬勃發(fā)展與交叉融合,極大地推動(dòng)了數(shù)字孿生的深入應(yīng)用。
數(shù)字孿生關(guān)鍵使能技術(shù)
其中,建模技術(shù)【3】是指利用數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)建現(xiàn)實(shí)世界中的物理實(shí)體。從早期的二維設(shè)計(jì)發(fā)展到三維建模,從三維線框造型進(jìn)化到三維實(shí)體造型、特征造型,數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)產(chǎn)生了諸如直接建模、同步建模、混合建模等技術(shù),以及面向建筑與施工行業(yè)的BIM技術(shù)。采用數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)建立的模型,往往包括了物理實(shí)體的各種屬性,如幾何形狀、裝配、運(yùn)動(dòng)、材料、制造等屬性。渲染技術(shù)是指利用三維制作軟件將制作的模型經(jīng)過紋理、綁定、動(dòng)畫、燈光,然后通過渲染得到模型和動(dòng)畫的最終顯示效果。按照渲染模式,主要分為離線渲染和實(shí)時(shí)渲染兩種類別。離線渲染是在渲染前將圖像的計(jì)算和分析完成,然后將結(jié)果輸出到屏幕上,這種渲染方式由于可以在離線服務(wù)器上進(jìn)行,因此可以處理大量數(shù)據(jù),通常說的CPU渲染、GPU渲染都屬于離線渲染;實(shí)時(shí)渲染是指在實(shí)時(shí)交互過程中,將圖像實(shí)時(shí)渲染到屏幕上,這種方式需要對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算和處理,因此對(duì)計(jì)算機(jī)和圖形處理器的性能要求比較高。目前渲染技術(shù)在游戲、影視動(dòng)畫、教育、建筑、視覺可視化等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。仿真技術(shù)是企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生應(yīng)用的重要支撐技術(shù)之一。通過對(duì)物理現(xiàn)象的精確模擬,仿真技術(shù)在數(shù)字孿生中被用于預(yù)測(cè)和優(yōu)化。仿真技術(shù)種類繁多,涵蓋了多個(gè)學(xué)科、多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。從早期的有限元分析到對(duì)流場(chǎng)、熱場(chǎng)、電磁場(chǎng)等多個(gè)物理場(chǎng)的仿真,對(duì)鑄造、注塑、焊接、沖壓、擠壓、增材制造和復(fù)合材料制造等制造工藝的仿真,對(duì)碰撞、燃燒、爆炸、沖擊、跌落等各種物理現(xiàn)象的仿真,以及疲勞分析、可靠性分析、振動(dòng)分析等均有涉獵。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有知識(shí)提取的能力,有助于建立一個(gè)共享和互連各種資源的數(shù)字孿生。物聯(lián)網(wǎng)通過RFID、二維碼、傳感器、全球定位系統(tǒng)(GPS)、激光掃描儀等數(shù)據(jù)采集設(shè)備,實(shí)時(shí)獲取物理實(shí)體諸如聲音、光、熱、電、力學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)和位置等數(shù)據(jù)信息。具體在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié),借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以展現(xiàn)生產(chǎn)過程的各種數(shù)據(jù),包括機(jī)械、設(shè)備、工具、人員等數(shù)據(jù)都能與數(shù)字孿生模型無縫關(guān)聯(lián),進(jìn)而提高制造的敏捷度。虛擬調(diào)試技術(shù)是指把虛擬世界的產(chǎn)線模型與物理世界的真實(shí)控制設(shè)備進(jìn)行連接,目的是對(duì)復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試。虛擬調(diào)試系統(tǒng)可以分為軟件在環(huán)和硬件在環(huán)兩類環(huán)境。一個(gè)典型的虛擬調(diào)試,需要規(guī)劃好生產(chǎn)線的布局、設(shè)備資源,并驗(yàn)證布局、優(yōu)化機(jī)器的動(dòng)作流程,進(jìn)行加工路徑與工藝參數(shù)的工藝仿真分析,對(duì)機(jī)器人或機(jī)床設(shè)備編程驗(yàn)證,接入機(jī)電訊號(hào)并與電器行為同時(shí)調(diào)試驗(yàn)證,包括傳感器、閥門、PLC程序和HMI軟件等。可視化技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù),將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來,并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。例如,在數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)領(lǐng)域,可通過柱狀圖、折線圖、散點(diǎn)圖等圖表形式展現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和趨勢(shì);在科學(xué)與工程領(lǐng)域,通過動(dòng)態(tài)3D可視化的呈現(xiàn)計(jì)算結(jié)果,幫助人們直觀理解復(fù)雜物理和數(shù)學(xué)的特點(diǎn)與規(guī)律;在商業(yè)和金融領(lǐng)域,通過將市場(chǎng)趨勢(shì)、產(chǎn)品銷售、客戶信息等數(shù)據(jù)可視化,幫助企業(yè)更好地理解和分析各種數(shù)據(jù)。目前正在飛速發(fā)展的AR/VR/MR技術(shù)也與可視化技術(shù)有交叉,是可視化顯示方面的一項(xiàng)支撐技術(shù)。除了上述技術(shù),大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)也是數(shù)字孿生的關(guān)鍵使能技術(shù)。大數(shù)據(jù)有助于使用者快速處理數(shù)字孿生平臺(tái)上的模型和數(shù)據(jù),進(jìn)而釋放數(shù)據(jù)背后所隱藏的價(jià)值和信息;云計(jì)算有助于數(shù)字孿生平臺(tái)的部署,從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算資源便捷、按需、靈活使用;人工智能可從感知、認(rèn)知、學(xué)習(xí)和適應(yīng)等方面解決數(shù)字孿生平臺(tái)應(yīng)用時(shí)的數(shù)據(jù)采集、模型構(gòu)建與迭代等挑戰(zhàn)。需要指出的是,這些關(guān)鍵使能技術(shù)是數(shù)字孿生成功應(yīng)用的重要保障,反過來,數(shù)字孿生的成功應(yīng)用,又促進(jìn)了這些關(guān)鍵使能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。近年來,為了滿足數(shù)字孿生的應(yīng)用需求,以GE、西門子、PTC、Ansys、羅克韋爾自動(dòng)化、AVEVA、Altair、微軟、IBM、達(dá)索系統(tǒng)、Maplesoft、Bentley等為代表的國(guó)際知名供應(yīng)商,基于自身使能技術(shù),推出了構(gòu)建數(shù)字孿生應(yīng)用的關(guān)鍵工具。同時(shí),由于各個(gè)行業(yè)在發(fā)展過程中逐步形成了適用于自身發(fā)展的使能技術(shù),為了加速數(shù)字孿生應(yīng)用的成熟并擴(kuò)展到不同行業(yè)企業(yè)的垂直領(lǐng)域,越來越多的供應(yīng)商選擇通過與多家供應(yīng)商展開合作,提供數(shù)字孿生所需要的完整解決方案。

? 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】


特斯拉是數(shù)字孿生技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的先行者。2011年,特斯拉成立設(shè)計(jì)工作室(Design Studio),賦予其超級(jí)工廠數(shù)字孿生能力。通過以降維打擊的方式,將原本NASA用于航天軍工這種高端領(lǐng)域的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到民用汽車領(lǐng)域,重構(gòu)了汽車的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用體驗(yàn),確定了特斯拉的江湖地位。
特斯拉Gigafactoy數(shù)字化車間場(chǎng)景
特斯拉在電動(dòng)汽車制造中應(yīng)用了數(shù)字孿生技術(shù)。特斯拉擁有其制造的每輛汽車的數(shù)字孿生,用于在汽車和工廠之間不斷交換數(shù)據(jù)。特斯拉通過這些數(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、汽車及其行為方式、道路上的其他汽車和道路本身的數(shù)字孿生。通過捕獲大量數(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、車的復(fù)雜行為,實(shí)現(xiàn)車輛的自動(dòng)駕駛。在2021年上海車展特斯拉車主維權(quán)事件中,特斯拉分別向市場(chǎng)監(jiān)管部門、維權(quán)的張女士發(fā)送了整理為Excel表格的48頁(yè)6697組后臺(tái)服務(wù)器數(shù)據(jù),詳細(xì)記錄了車主在事故前30分鐘的車輛狀況和駕駛動(dòng)作。特斯拉的用戶不僅可以通過特斯拉的數(shù)字孿生追溯設(shè)備的過去和當(dāng)前使用狀況,在使用過程中,特斯拉汽車的功能似乎越來越智能,特斯拉汽車似乎越來越懂你。特斯拉通過數(shù)字孿生給用戶提供了一種“持續(xù)智能”,可以持續(xù)適配用戶、持續(xù)優(yōu)化。特斯拉通過這種服務(wù),每年可以從每輛特斯拉獲得超過1200美元的收入。


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】


2018年,日本船舶技術(shù)研究協(xié)會(huì)在日本最大私人基金會(huì)之一的日本財(cái)團(tuán) (Nippon Foundation)支持下啟動(dòng)了“船體結(jié)構(gòu)高精度數(shù)字孿生模型研發(fā)”項(xiàng)目,聯(lián)合6家造船企業(yè)以及大學(xué)、航運(yùn)公司、國(guó)家海事研究機(jī)構(gòu)和日本船級(jí)社等單位共同參與,共同研究數(shù)字孿生技術(shù),旨在把船舶海上航行時(shí)船體狀態(tài)在網(wǎng)絡(luò)空間再現(xiàn),提高船舶安全性。
關(guān)聯(lián)視頻:船舶的數(shù)字孿生模型
通過創(chuàng)建一個(gè)船舶的網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng),包含現(xiàn)實(shí)世界的信息,可以實(shí)現(xiàn)利用船舶結(jié)構(gòu)數(shù)字模型同化船上測(cè)量數(shù)據(jù),高精度地評(píng)估船舶的健康狀況。船上測(cè)量包括遇到波浪的信息、船體張力和船舶在波浪中的運(yùn)動(dòng)。該項(xiàng)目由監(jiān)測(cè)、仿真、完整性評(píng)估三個(gè)要素組成。其中,監(jiān)測(cè)是使用數(shù)據(jù)同化方法來開發(fā)從有限的測(cè)量中評(píng)估船體所有零部件的結(jié)構(gòu)響應(yīng)的技術(shù)。在現(xiàn)代船舶試驗(yàn)和船上測(cè)量的基礎(chǔ)上,發(fā)展了能夠高效、準(zhǔn)確地再現(xiàn)真實(shí)世界現(xiàn)象的仿真方法,并得到了驗(yàn)證。該項(xiàng)目的技術(shù)驗(yàn)證是通過在納什維爾海洋研究所的實(shí)際海洋模型盆地的模型轉(zhuǎn)移試驗(yàn)進(jìn)行的。模型船上安裝了數(shù)以百計(jì)的光纖,如應(yīng)變測(cè)試儀和壓力傳感器,這為創(chuàng)建數(shù)字孿生系統(tǒng)提供了必要的數(shù)據(jù)。海上經(jīng)營(yíng)者、陸地管理者和船舶設(shè)計(jì)師可以通過網(wǎng)絡(luò)再現(xiàn)和共享實(shí)際航道中正在行駛的船只。通過基于網(wǎng)絡(luò)船舶的統(tǒng)計(jì)推斷方法對(duì)船舶進(jìn)行客觀的整體評(píng)價(jià),有助于提高海上運(yùn)輸?shù)恼w安全水平。精確的船體結(jié)構(gòu)數(shù)字孿生甚至可以從陸地上進(jìn)行監(jiān)測(cè),這將使遠(yuǎn)程和自動(dòng)操作成為可能。船舶在未來海況下的狀態(tài)可以被準(zhǔn)確預(yù)測(cè),并有可能選擇更安全的航線和策略。根據(jù)數(shù)字孿生獲得的精確載荷進(jìn)行船舶設(shè)計(jì)和管理,還可以解決溫室氣體的節(jié)能再循環(huán)和船舶壽命等問題。該項(xiàng)目最終目標(biāo)是通過基于實(shí)時(shí)數(shù)字船體狀態(tài)信息的先進(jìn)數(shù)據(jù)分析技術(shù),提高船舶的安全性和效率。


案例三:電廠運(yùn)用數(shù)字孿生

邁向清潔和可持續(xù)【7】


電廠由粉碎機(jī)、鍋爐、汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等大型復(fù)雜的發(fā)電設(shè)備組成。但是這些設(shè)備的監(jiān)控、性能優(yōu)化和定期維護(hù)非常具有挑戰(zhàn)性。鑒于電廠運(yùn)營(yíng)的復(fù)雜性和規(guī)模,實(shí)時(shí)做出決策勢(shì)在必行,因?yàn)檠诱`會(huì)導(dǎo)致巨大損失和災(zāi)難性事故。數(shù)字孿生能復(fù)制現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)的行為,同時(shí)保持與物理實(shí)體系統(tǒng)的實(shí)際通信,并提出改進(jìn)工廠運(yùn)營(yíng)的建議。電廠采用的數(shù)字孿生模型是基于物理學(xué)的預(yù)測(cè)模型來提高一些復(fù)雜過程的準(zhǔn)確性,使用過去工廠數(shù)據(jù)和接受先進(jìn)算法的訓(xùn)練,以預(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。
電廠數(shù)字孿生系統(tǒng)原理圖
電廠數(shù)字孿生的應(yīng)用如下:

? 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。
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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】


挪威的橋梁擁有出色的安全記錄,但挪威南北主干道沿線擁有近80年歷史的Stavabrua大橋一直是挪威公共道路管理局工程師關(guān)注的焦點(diǎn)。與世界上許多古老的橋梁一樣,這座混凝土拱橋的最初的建造量和載荷不到今天的一半。該橋梁需要定期維護(hù)維修。

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數(shù)字化企業(yè)
挪威公共道路管理局采用數(shù)字孿生技術(shù),預(yù)測(cè)橋梁的剩余壽命,并每5年進(jìn)行一次例行檢查。在普通的例行檢查中,有很多問題是在檢查中無法發(fā)現(xiàn)的,比如橋梁的完整性、動(dòng)態(tài)變化,以及不同載荷對(duì)橋梁的影響。通過運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù),安裝物聯(lián)網(wǎng)傳感器,獲取并收集傳感器數(shù)據(jù),然后將這些數(shù)據(jù)直接反饋到系統(tǒng)中,以監(jiān)控橋梁的整體活動(dòng)。如果橋梁動(dòng)態(tài)偏離預(yù)設(shè)閾值,數(shù)字孿生系統(tǒng)將發(fā)出警報(bào)。
運(yùn)用數(shù)字孿生監(jiān)控橋梁的整體活動(dòng)
例如,2021年4月7日,挪威Stavabrua大橋發(fā)出了此類警報(bào),挪威公共道路管理局得以迅速轉(zhuǎn)移受影響地區(qū)的交通,并進(jìn)行維修更換工作。由此可見,數(shù)字孿生技術(shù)非常重要,能夠在橋梁出現(xiàn)危機(jī)情況時(shí),檢測(cè)、理解并及時(shí)反饋。當(dāng)然,橋梁維護(hù)維修不僅僅是挪威的問題,在德國(guó)超過12%的橋梁狀況不佳,在美國(guó)不佳數(shù)量超過三分之一,挪威公共道路管理局希望通過對(duì)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)時(shí)監(jiān)控,提高橋梁使用的安全性,還降低維護(hù)維修成本。眾所周知,做好預(yù)防最具成本效益。挪威公共道路管理局已經(jīng)在橋梁中推行數(shù)字孿生的應(yīng)用,未來還會(huì)應(yīng)用在隧道以及整個(gè)道路系統(tǒng)上,通過依靠人、傳感器系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)中的知識(shí)和數(shù)據(jù),讓維護(hù)維修工作具備前瞻性、預(yù)測(cè)性。


案例五:110千伏數(shù)字孿生變電站

讓變電站充滿智慧【8】


為了改善臨港新片區(qū)電網(wǎng)結(jié)構(gòu),解決配電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié),國(guó)網(wǎng)上海浦東供電公司擬在臨港新建馬廠、博藝、洋山、順浩、浩通、春景、鵬翔、川榿等共計(jì)8座110千伏變電站,加快臨港新片區(qū)110千伏雙側(cè)鏈?zhǔn)诫娋W(wǎng)構(gòu)建。馬廠站已經(jīng)于2019年10月完成送電,博藝站緊隨其后。作為第一座試點(diǎn)變電站,博藝站從建設(shè)之初就以“數(shù)字孿生變電站”為建設(shè)理念,在打造的三維變電站模型基礎(chǔ)上,融入實(shí)體變電站運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)信息,并在變電站設(shè)計(jì)之初就以移交運(yùn)行使用的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建造、驗(yàn)收、投運(yùn),在投運(yùn)后可以同步顯示實(shí)體變電站的所有信息。
110千伏博藝站
實(shí)體變電站建設(shè)的同時(shí),一座“拷貝不走樣”的數(shù)字變電站也在同步建設(shè),投運(yùn)后,這對(duì)“孿生兄弟”一個(gè)在實(shí)地,一個(gè)在遠(yuǎn)端,一個(gè)負(fù)責(zé)實(shí)際供配電,一個(gè)體現(xiàn)錯(cuò)綜復(fù)雜的數(shù)據(jù)。110千伏博藝站數(shù)字孿生系統(tǒng)的建成具有劃時(shí)代的意義,實(shí)體變電站、數(shù)字孿生系統(tǒng)的同步投運(yùn)不僅突破了傳統(tǒng)變電站的局限性,使變電站不再是從前冷冰冰的建筑和設(shè)備,而是具有思考和交互功能的數(shù)字智慧鏡像,實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行人員的互動(dòng)和交流,降低運(yùn)維用人成本,進(jìn)一步提升智能化水平與安全生產(chǎn)能力。


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】


理想情況下, 數(shù)字孿生是精準(zhǔn)醫(yī)療的解決方案,需要整合和處理大量數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集所必需的,然后通過通信技術(shù)反饋處理后的數(shù)據(jù)以優(yōu)化模型并規(guī)范操作。設(shè)想每個(gè)人將擁有自己的數(shù)字孿生,通過將醫(yī)療設(shè)備診斷與醫(yī)療輔助設(shè)備診斷相結(jié)合,為個(gè)人健康管理和醫(yī)療保健服務(wù)提供新的平臺(tái)和新的實(shí)驗(yàn)方法。此外,采用數(shù)字孿生和大數(shù)據(jù)技術(shù),可以為患者找到準(zhǔn)確的治療目標(biāo)和合適的藥物或治療方法,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療。最后,在醫(yī)院或醫(yī)院科室建立數(shù)字孿生可以有效管理醫(yī)療資源和規(guī)劃以需求為導(dǎo)向的醫(yī)療活動(dòng)。
數(shù)字李生技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用與展望
健康監(jiān)測(cè):慢性病具有病程長(zhǎng)、發(fā)病率高、種類多、治愈難度大等特點(diǎn)。同時(shí),老年人身體虛弱,記憶力差,對(duì)醫(yī)療的知識(shí)和信息不足。因此,可以根據(jù)老年人的生理參數(shù)建立數(shù)字李生模型,通過可穿戴設(shè)備和手機(jī)獲取老年人的實(shí)時(shí)健康數(shù)據(jù),對(duì)可能出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行及時(shí)計(jì)算分析,實(shí)現(xiàn)危機(jī)預(yù)警;基于數(shù)字孿生技術(shù)還可以將治療方法和藥物的信息傳遞給模型進(jìn)行驗(yàn)證,優(yōu)化治療方案,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)老年人疾病的早期診斷或預(yù)防。精準(zhǔn)診斷:使用多源數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生模型可以很好地支撐患者疾病的診斷,這些數(shù)據(jù)可來自CT、磁共振成像、彩色超聲等儀器,還包括血常規(guī)、尿常規(guī)、酶試驗(yàn)等生化數(shù)據(jù)。理想的數(shù)字孿生模型應(yīng)該整合患者的所有數(shù)據(jù)和所有類型的發(fā)病機(jī)制,形成多層模塊,不同類型的數(shù)據(jù)可以通過映射不同類型的模塊之間的關(guān)系來連接。此外,還有歷史數(shù)據(jù)、病歷、健康預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)、手術(shù)模擬數(shù)據(jù)和虛擬藥檢數(shù)據(jù)。收集的數(shù)據(jù)必須是完整的,并且適合在建模和決策制定中進(jìn)行分析。因此,利用人體的數(shù)字李生,醫(yī)療系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)個(gè)體對(duì)感染或損傷的免疫反應(yīng),從而可以對(duì)疾病進(jìn)行精準(zhǔn)診斷,在很多方面起到換救生命的作用。精準(zhǔn)治療:當(dāng)一個(gè)人被疾病侵襲時(shí),專家不需要與患者進(jìn)行面對(duì)面的會(huì)診,只需在數(shù)據(jù)和數(shù)字孿生模型的幫助下進(jìn)行遠(yuǎn)程會(huì)診,確定疾病的原因或進(jìn)行預(yù)防。在手術(shù)前,數(shù)字孿生可以協(xié)助制定手術(shù)方案,外科醫(yī)生可以使用虛擬顯示器在虛擬人體上評(píng)估手術(shù)方案。在手術(shù)過程中,數(shù)字孿生可以拓寬手術(shù)視野,警示盲點(diǎn)的危險(xiǎn),預(yù)測(cè)隱性出血,并根據(jù)情況幫助準(zhǔn)備或應(yīng)對(duì)行動(dòng)。此外,數(shù)字孿生可用作驗(yàn)證解剖結(jié)構(gòu)并避免對(duì)結(jié)構(gòu)造成不必要損壞的參考。綜上所述,數(shù)字孿生有助于實(shí)現(xiàn)個(gè)性化醫(yī)療,包括在疾病惡化前進(jìn)行針對(duì)性干預(yù),進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、準(zhǔn)確檢測(cè)和精準(zhǔn)治療。


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:
數(shù)字孿生實(shí)施步驟

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。
總結(jié)




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。


【參考文獻(xiàn)】:【1】中國(guó)工程院院士李培根:在數(shù)字空間超越傳統(tǒng)制造http://www.cinn.cn/gongjing/202205/t20220526_256908.shtml【2】李培根:淺說數(shù)字孿生https://mp.weixin.qq.com/s/TEQJQIUWSsFlHlufXnJVQg【3】詳解數(shù)字孿生應(yīng)用的十大關(guān)鍵問題https://blog.e-works.net.cn/6399/articles/1364355.html【4】案例|特斯拉利用數(shù)字孿生體獲得領(lǐng)先地位https://mp.weixin.qq.com/s/P7RY0GG_jmFMZcVW9Wiiow【5】王葉忠:如何在數(shù)字化轉(zhuǎn)型中推進(jìn)和實(shí)施數(shù)字孿生?https://mp.weixin.qq.com/s/NoJktQR126FDtHh7kAN-OA【6】萬物皆可孿生,應(yīng)用前景廣闊!https://mp.weixin.qq.com/s/TGOFblEfYmUCoBws6HpnzA【7】Toward sustainable and clean thermal powerhttps://www.tcs.com/what-we-do/research/white-paper/digital-twins-thermal-power-plants-build-sustainbility【8】18個(gè)能源電力行業(yè)“數(shù)字孿生”案例https://mp.weixin.qq.com/s/kUDOBiCPO5cdR0wC3A8BNg【9】Digital twin in healthcare: Recent updates and challengeshttps://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC9830576/【10】水務(wù)行業(yè)數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)施指南白皮書(中篇)https://mp.weixin.qq.com/s/pyrHWpzlG_PoT7dYGgWP8g


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