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什么是數字孿生？

數字孿生，英文名叫Digital Twin（數字雙胞胎），也被稱為數字映射、數字鏡像。數字孿生尚無業界公認的標準定義，概念還在發展與演變中。在百度百科中，初步將數字孿生定義為充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。

如果你第一次了解數字孿生，是不是有些懵圈？通俗地說，數字孿生就是在一個設備或系統的基礎上，在信息化平臺上為其創造一個虛擬的、數字版的“克隆體”，這個克隆體，就被成為“數字孿生體”。

或許你會說，這不就是把設備、系統CAD圖紙給3D化了嗎？現在有很多制圖軟件都可以實現這個功能，有什么新鮮的？

相比傳統的3D設計圖，數字孿生體最大的特點是它是對實體對象的動態仿真，也就是說，數字孿生體是會跟隨實體對象的變化而變化的。而“變化”的依據，來自實體對象上傳感器所反饋的數據以及本體運行的歷史數據。

圖1 數字孿生原理示意圖

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數字孿生的發展歷程

2003年，數字孿生最初是在格里夫斯的產品生命周期管理（PLM)執行課程中提出，他將其定義為三個維度，包括一個“物理實體”、一個“數字對應物”和一個將兩部分聯系在一起的“連接”。

2010年，美國宇航局在《建模、仿真、信息技術》草案中詳細闡述了航天飛行器數字孿生的定義和功能，“一個綜合的多物理場、多尺度的飛行器或系統模擬，使用最佳可用的物理模型、傳感器數據更新、歷史數據等來反映其相應壽命”。

2011年，美國空軍探索了數字孿生在飛機結構健康管理中的應用。在國內，中國航空工業集團第一飛機研究院（簡稱“一飛院”）在21世紀初開發的飛豹全數字樣機與已經服役的飛機形成了簡明意義上的“數字孿生”（盡管當時沒有這個術語）關系，如下圖所示。

圖2 飛豹全數字樣機與服役飛機

2012年，美國宇航局和美國空軍聯合發表了一篇關于數字孿生的論文，指出它是未來飛行器的關鍵技術。

2014年，首部數字孿生白皮書發表。隨后，數字孿生概念被引入航空航天工業以外的更多領域，如汽車、石油和天然氣、醫療保健和醫藥等。

2020年11月11日，我國工信部牽頭發布《數字孿生白皮書》。

也許你會疑惑，為什么要使用數字孿生技術仿真物理世界，這樣做究竟有什么意義？

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數字孿生的應用意義

數字孿生技術貫穿了產品生命周期中的不同階段，它同PLM（Product Lifecycle Management）的理念是不謀而合的。可以說，數字孿生技術的發展將PLM的能力和理念從設計階段真正擴展到了全生命周期。

對于生產企業而言，數字孿生技術可以：

（1）虛擬場景，優化方案，降低風險。運用數字孿生技術，企業可以在建立或整改生產線時，預先虛擬生產線運行狀態，或在不改變原有生產線的情況下，運用數字孿生技術，克隆出與生產線對應的虛擬產線，全方位觀測效果，對其進行建設或整改。這樣大大減少了試錯成本，并且可以不斷優化設計方案，降低風險，確保可行性。

（2）仿真設備模型，產品研發測試。工業企業在產品研發過程中，數字孿生可以虛擬構建產品數字化模型，對其進行仿真測試和驗證，從而不受現實環境限制，有效提升產品的可靠性和可用性，同時降低產品研發和制造風險。

（3）克隆生產線，精準監控設備運行。生產制造時，可以模擬生產線工藝流程，設備運轉，遠程實時監控生產線各項變化，及時解決突發狀況，提升工作效率。

比如，德國包裝系統制造商Optima利用西門子的數字孿生技術對其運輸系統進行了數字繪圖和檢查。它還有助于對產品定制將如何影響生產過程進行建模，并改變過程的工作方式以適應這種定制。利用這項技術可以將下一代機器的開發成本降低50%以上。

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數字孿生的運用案例

在2020年發布的《數字孿生白皮書》中，收集了涵蓋智能制造、智慧城市、智慧交通、智慧能源、智慧建筑、智慧健康等六個領域共計31個數字孿生應用案例。

圖3 數字孿生原理示意圖

比如在智能制造領域由數字孿生驅動的智慧火電應用案例：某火電廠監控信息系統在數據量采集、功能分散、重要設備機理模型等方面存在問題。

數字孿生技術的應用，幫助該火電廠建立了火電機組設備模型、機理模型和管理模型，實現了數字模型與機組設備的雙向同步和實時互動，并支持安全環保、總體績效、機組優化、燃料管理等功能。

圖4 某火電廠輸煤棧橋數字孿生演示

圖5 某火電廠發電鍋爐數字孿生演示

再比如數字孿生技術在智慧濱海城市數字大腦項目的運用。濱海新區在2018年提出以智慧政務、智慧經濟、智慧城管和智慧民生四大版塊 N 個智慧應用為重點，分三年推進智慧濱海建設，實現大數據一張圖支撐決策、大運營一條鏈服務產業以及大平臺一張網惠及民生。

借助數字孿生技術，濱海城市大腦一方面實現了全域全量數據資源的管理和可視化展示，另一方面借助協同計算能力、模型仿真引擎，實現了濱海城市治理、民生服務、產業發展等各系統協同運轉。

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暢想數字孿生在EHS領域的運用

對于數字孿生在EHS領域的運用，基于現有的工業、信息技術，筆者認為可率先運用在以下領域：

（1）事故災難應急。在火災、爆炸及環境污染等事故發生后，政府應急管理部門可采用無人機視頻技術，對事故災難區進行快速3D數字建模，并通過地面部署移動環境監測車、區域固定環境監測裝置、結合無人機獲取的有害氣體云團數據、AI熱成像視頻監控、GIS地理信息等數據，對現實的事故區域創建數字孿生體，并在此基礎上進行事故救援方案的推演、實時呈現事故現場應急處置狀況等。

（2）變更及工藝風險管控。通過對企業的儀表、閥門、反應釜等動靜設備進行3D掃描或無人機視頻技術，快速構建車間生產裝置3D數字模型，導入物料、溫度、壓力等數據參數，模擬進行設備、儀表變更，甚至操作程序變更，用以檢驗變更效果。當然，也可按照上述邏輯，結合HAZOP引導詞、關鍵詞進行工藝風險評估，并通過數字孿生體進行風險控制效果的檢驗。

（3）現場可視化管理。對于生產場所的可視化管理，已經較為常見，大部分化工廠的罐區的儲罐、生產車間的反應釜基本上都已經實現了液位的可視化。但對于整個罐區、整個生產車間、污水池、廢氣回收裝置、每個關鍵裝置及其安全附件的的可視化模型（即數字孿生體）目前幾乎尚未涉及，但小編相信當有一天只需要拍照就可以實現3D數字建模時，這項功能也必將實現。或許到那時，只要手指輕點屏幕上的任何一個設備，我們就能夠清楚的知道，它當前的運行狀況、上次的維修保養時間等信息。

（4）環境污染實時監測。對于企業的環境污染實時監測這一功能，實際上在部分省份的水氣土監測預警系統中已初步實現。但是基本上采用的GIS地理建模形式，對于生產企業的位置也僅用顏色、坐標、名稱等參數顯示。未來，基于現實世界構建的工業園區、縣域生產企業數字孿生體，綜合這些以上布置的污染源監測傳感器，實時對各企業的污染物進行監測、監控，在區域地理模型上顯示這些企業的污染物排放數據，并實現污染物超標預警功能。當數據超標時，監管人員可以在通過建立的數字孿生體模型，查看該企業的具體生產、水氣等排放信息。