關(guān)于數(shù)字孿生技術(shù)的介紹

2020年9月，第22屆中國國際工業(yè)博覽會(huì)在上海國家會(huì)展中心舉行，博覽會(huì)上國家電網(wǎng)首次展示國內(nèi)首個(gè)“會(huì)思考”的電網(wǎng)設(shè)備數(shù)字孿生系統(tǒng)和自主研發(fā)的現(xiàn)場試驗(yàn)輔助決策成套裝置。當(dāng)前正處在能源革命與數(shù)字革命深度融合的交匯點(diǎn)，國家電網(wǎng)主動(dòng)跨前一步，用數(shù)字化手段推動(dòng)電網(wǎng)向智慧化方向發(fā)展，引領(lǐng)數(shù)字孿生能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，打造優(yōu)勢互補(bǔ)、資源共享、互利共贏的數(shù)字孿生能源生態(tài)圈。

近年來，數(shù)字孿生一詞迅速躥紅，成為一個(gè)炙手可熱的發(fā)展概念。當(dāng)前，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)為代表的數(shù)字浪潮席卷全球，數(shù)字世界的快速發(fā)展需要不斷從物理世界汲取養(yǎng)分，物理世界也隨著數(shù)字世界發(fā)展變得更豐富多彩。在此背景下，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

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走進(jìn)“數(shù)字雙胞胎”

2018年史蒂文·斯皮爾伯格執(zhí)導(dǎo)的《頭號(hào)玩家》，在全球上映，影片中現(xiàn)實(shí)世界的人類在游戲《綠洲》中存在一個(gè)虛擬的自己，人類可以在控制倉中控制虛擬世界中的自己，這大概就是“數(shù)字雙胞胎”。

數(shù)字孿生（Digital Twin）一詞由美國密歇根大學(xué)Michael Grieces教授2003年在他所講授的產(chǎn)品生命周期管理課程引入。簡單地說，數(shù)字孿生就是用數(shù)字技術(shù)模擬、仿真物理對(duì)象在現(xiàn)實(shí)世界中的行為。

2011年3月，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室在一次演講中，明確提到了數(shù)字孿生這一名詞，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室成為了最早提出這一概念的機(jī)構(gòu)；

有材料顯示，同期美國國家航空航天局也開始關(guān)注數(shù)字孿生體，但后續(xù)對(duì)數(shù)字孿生體體系的搭建研究不夠深入，貢獻(xiàn)有限。反而是美國國防部立刻意識(shí)到數(shù)字孿生技術(shù)將成為重要的工程工具，值得全面研發(fā)；與此同時(shí)，美國通用電氣（GE）在為美國國防部提供F-35聯(lián)合攻擊機(jī)解決方案的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)是工業(yè)數(shù)字化過程中的有效工程工具，并開始利用數(shù)字孿生體系構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系。

關(guān)于數(shù)字孿生的定義內(nèi)涵，國外眾多研究機(jī)構(gòu)和國內(nèi)的行業(yè)專家們都給出不同的見解，下面舉例幾個(gè)國內(nèi)外企業(yè)或組織給出的數(shù)字孿生定義，供參考。

1、埃森哲：數(shù)字孿生是指物理產(chǎn)品在虛擬空間中的數(shù)字模型，包含了從產(chǎn)品構(gòu)思到產(chǎn)品退市全生命周期的產(chǎn)品信息；

2、美國國防采辦大學(xué)：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、多尺度的仿真過程，在虛擬空間中完成對(duì)物理實(shí)體的映射，從而反映物理實(shí)體的全生命周期過程。

3、中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心劉亞威：從本質(zhì)上來看，數(shù)字孿生是一個(gè)對(duì)物理實(shí)體或流程的數(shù)字化鏡像。創(chuàng)建數(shù)字孿生的過程，集成了人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)和傳感器數(shù)據(jù)，以建立一個(gè)可以實(shí)時(shí)更新的、現(xiàn)場感極強(qiáng)的“真實(shí)”模型，用來支撐物理產(chǎn)品生命周期各項(xiàng)活動(dòng)的決策。

目前尚無業(yè)界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)定義，數(shù)字孿生的概念還在發(fā)展與演變中。

Prof Grieves的數(shù)據(jù)孿生參考模型中數(shù)字孿生由三部分構(gòu)成：

物理空間的實(shí)體產(chǎn)品；

虛擬空間的虛擬產(chǎn)品；

虛實(shí)之間的連接數(shù)據(jù)和信息。

source：Grieves.M(2014)Digital Twin: ManufacturingExcellence through VirtualFactory Replication

NARA和AFRL的數(shù)字孿生模式圖示化表示數(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，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體的全生命周期過程。

source：The Digital Twin Paradigm forFuture NASA and U.S. Air Force Vehicles

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數(shù)據(jù)孿生五維模型

2018年北京航空航天大學(xué)陶飛教授在上海CIMS大會(huì)上做了題為《五維數(shù)學(xué)孿生模型及十個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用探索》的學(xué)術(shù)報(bào)告，報(bào)告中指出傳統(tǒng)數(shù)字孿生的三維模型已無法滿足現(xiàn)階段技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用需求，北航數(shù)字孿生技術(shù)研究小組提出了數(shù)字孿生五維模型的概念，以適應(yīng)新需求。

source:數(shù)字孿生五維模型及十大領(lǐng)域應(yīng)用探索，陶飛

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數(shù)據(jù)孿生應(yīng)用探索

從2014年開始，西門子、達(dá)索、PTC、ESI、ANSYS等知名工業(yè)軟件公司，在市場宣傳中都不約而同使用了“Digital Twin”術(shù)語，并陸續(xù)在Digital Twin的技術(shù)構(gòu)建等方面做了很多深入研究和拓展。

Gartner公司更是連續(xù)三年（2016-2018年）將數(shù)字孿生列為當(dāng)年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之一。世界上最大的武器生產(chǎn)商洛克希德馬丁公司2017年11月將數(shù)字孿生列為未來國防和航天工業(yè)6大頂尖技術(shù)之首。

數(shù)字孿生正在成為眾多跨國企業(yè)業(yè)務(wù)布局的新方向。

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數(shù)字孿生工業(yè)應(yīng)用

基于模型、數(shù)據(jù)、服務(wù)等方面的優(yōu)勢，數(shù)字孿生已廣泛被全球各行業(yè)、各背景、各層次的專家、學(xué)者和企業(yè)研究與應(yīng)用，目前數(shù)字孿生在制造領(lǐng)域開展了較多的應(yīng)用探索和落地實(shí)踐，但在航空航天、電力、汽車、智慧城市、健康醫(yī)療等領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

source：：【數(shù)字孿生】數(shù)字孿生十問：分析與思考，北京航空航天大學(xué)，自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，數(shù)字孿生研究組

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智慧城市：數(shù)字孿生+虛擬城市

通過建設(shè)城市數(shù)字孿生體，以定量與定性結(jié)合的形式，在數(shù)字世界推演天氣環(huán)境、基礎(chǔ)設(shè)施、人口土地、產(chǎn)業(yè)交通等要素的交互運(yùn)行，繪制“城市畫像”，支撐決策者在物理世界實(shí)現(xiàn)綜合效益最優(yōu)化的布局。

source：賽迪，中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院，數(shù)字孿生白皮書（2019年）

目前已經(jīng)開始實(shí)施的數(shù)字孿生城市項(xiàng)目是虛擬新加坡（Virtual Singapore），虛擬新加坡(Virtual Singapore)由NRF(新加坡國家研究基金會(huì))和Dassault Systems（達(dá)索）合作開發(fā)，包含靜態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，解決城市能耗、廢物處理、社區(qū)導(dǎo)航、交通規(guī)劃、疾病傳播等問題。

圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

2014年-2016年期間虛擬新加坡項(xiàng)目已完成城市空間初步數(shù)據(jù)采集，包括地理信息、城市設(shè)施(公交站、路燈、交通信號(hào)燈、高架橋)

隨著城市數(shù)字模型的擴(kuò)充與發(fā)展，數(shù)字孿生技術(shù)將覆蓋城市的每條電力線、變電站、污水系統(tǒng)、供水和排水系統(tǒng)、城市應(yīng)急系統(tǒng)、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，高速公路，交通控制系統(tǒng)等所有看見或看不見的地方。

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智慧醫(yī)療：數(shù)字孿生+醫(yī)療服務(wù)

達(dá)索、海信等公司嘗試將數(shù)字孿生與醫(yī)療服務(wù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)行機(jī)理和醫(yī)療設(shè)備的動(dòng)態(tài)監(jiān)測、模擬和仿真，可加快科研創(chuàng)新向臨床實(shí)踐的轉(zhuǎn)化速度、提高醫(yī)療診斷效率、優(yōu)化醫(yī)療設(shè)備質(zhì)控管理。

source：賽迪，中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院，數(shù)字孿生白皮書（2019年）

達(dá)索系統(tǒng)有一個(gè)非常著名的項(xiàng)目叫數(shù)字心臟（Living Heart），在數(shù)字世界構(gòu)建一個(gè)數(shù)字孿生的心臟。這項(xiàng)工作的基礎(chǔ)是，通過研究心臟生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)的作用規(guī)律，研究心臟是如何泵送血液，患者口服降壓藥后藥物分子怎么作用于心臟，捕捉心臟如何通過生物電控制每股肌肉纖維產(chǎn)生收縮力，還原復(fù)制人類心臟的真實(shí)運(yùn)行，基于對(duì)心臟物理、化學(xué)、生物規(guī)律完全掌握的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一個(gè)數(shù)字心臟。

圖片來源于網(wǎng)絡(luò)

數(shù)字心臟已經(jīng)在臨床上創(chuàng)造了許多新的價(jià)值，一是數(shù)字心臟能夠提高心臟手術(shù)質(zhì)量、降低手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；二是數(shù)字心臟在開展各類心臟臨床醫(yī)學(xué)的教學(xué)教研中有著至關(guān)重要的作用；三是加快了改進(jìn)藥物、醫(yī)療器械設(shè)計(jì)等許可通過的流程。

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智慧電站：數(shù)字孿生+電網(wǎng)建設(shè)

2019年，國家電網(wǎng)以35千伏蔡倫站為試點(diǎn)，率先打造國內(nèi)首個(gè)“會(huì)思考”的電網(wǎng)設(shè)備數(shù)字孿生系統(tǒng)，利用傳感器采集的高密度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，建立真實(shí)設(shè)備在虛擬空間中的映射，準(zhǔn)確把控設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)變化，利用環(huán)形驗(yàn)證、專家知識(shí)以及人工智能技術(shù)，提供設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維、設(shè)備異常趨勢預(yù)警、檢修策略精準(zhǔn)決策、設(shè)備缺陷精確處置等智慧決策支撐。

蔡倫站數(shù)字孿生系統(tǒng)索引頁

蔡倫站數(shù)字孿生系統(tǒng)界面

2020年6月，在臨港新片區(qū)，博藝站作為首座110千伏數(shù)字孿生變電站正式投運(yùn)，為構(gòu)建萬物互聯(lián)、全面感知、虛實(shí)交互的智慧城市按下“快進(jìn)鍵”。國家電網(wǎng)聚焦張江、臨港兩大國家戰(zhàn)略，逐步將數(shù)字孿生系統(tǒng)的支撐范圍推廣至全類型電網(wǎng)設(shè)備，推動(dòng)從數(shù)字孿生變電站向數(shù)字孿生能源互聯(lián)網(wǎng)的跨越升級(jí)，為地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供“世界會(huì)客廳”級(jí)的供能保障。

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數(shù)據(jù)孿生的未來展望

整體來看，數(shù)字孿生技術(shù)還處于初期環(huán)節(jié)，要實(shí)現(xiàn)成熟運(yùn)用，還必須克服許多艱難。但能夠肯定的是，在數(shù)字時(shí)期的將來，數(shù)字孿生不僅僅是一項(xiàng)通用使能技術(shù)，也將徹底改變大家發(fā)現(xiàn)、認(rèn)知和更新改造世界的方法。雖然目前數(shù)字孿生只能在有限的場景中得到應(yīng)用，但是我們相信，隨著技術(shù)不斷演進(jìn)，精密設(shè)備的增加，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的場景也會(huì)相應(yīng)增加。

國網(wǎng)江蘇綜合能源服務(wù)有限公司，以“踐行能源革命，成就客戶夢(mèng)想”為服務(wù)宗旨，積極踐行“四個(gè)革命，一個(gè)合作”的能源安全新戰(zhàn)略，緊跟技術(shù)浪潮，不斷提升能源技術(shù)自主創(chuàng)新能力，研發(fā)并掌握核心技術(shù)，致力于將最先進(jìn)實(shí)用高效的技術(shù)運(yùn)用于能源互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，為我國能源安全發(fā)展貢獻(xiàn)國網(wǎng)力量。