為什么構(gòu)建數(shù)字孿生系統(tǒng)離不開傳感器技術(shù)？

產(chǎn)業(yè)界自2002年首次設(shè)想將數(shù)字孿生（Digital Twins，又稱數(shù)字雙胞胎）應(yīng)用于制造業(yè)，至今已有超過20年的歷史。數(shù)字孿生并不算是個(gè)新概念，但其價(jià)值正逐漸被挖掘，屬于一個(gè)常談常新的概念。市場(chǎng)分析機(jī)構(gòu)Gartner自2017年開始在每一年的十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢(shì)中都有談到數(shù)字孿生，且都有不同的理解。

圖1：數(shù)字孿生入選Gartner《2019年十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢(shì)》（圖源：Gartner）

比如，Gartner在《2023年十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢(shì)》中預(yù)測(cè)，到2027年，全球超過40%的大型企業(yè)機(jī)構(gòu)將在基于元宇宙的項(xiàng)目中使用Web3、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）云和數(shù)字孿生的組合來增加收入。

數(shù)字孿生的目標(biāo)是提供一個(gè)用于實(shí)際系統(tǒng)優(yōu)化和決策支持的全新方式，物理世界的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是其做決策的主要依據(jù)。因而，幫助系統(tǒng)構(gòu)建自我感知能力的傳感器在數(shù)字孿生系統(tǒng)中扮演著重要的角色，這也是貿(mào)澤電子攜手原廠賦能數(shù)字孿生發(fā)展的方式之一。

數(shù)字孿生的概念和價(jià)值

從概念上來講，數(shù)字孿生是一種虛擬模型，旨在準(zhǔn)確反映物理對(duì)象，是現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字世界融合的關(guān)鍵性技術(shù)。簡(jiǎn)言之，數(shù)字孿生是制造業(yè)流程、產(chǎn)品和服務(wù)的虛擬模型。因此，在數(shù)字孿生的大架構(gòu)下，也會(huì)有一些小分類：組件/零件孿生、資產(chǎn)孿生、功能系統(tǒng)孿生和工藝孿生，這些概念從字面意思就很好理解，它們構(gòu)成了整個(gè)數(shù)字孿生的大系統(tǒng)。

為了讓數(shù)字孿生系統(tǒng)和物理世界能夠準(zhǔn)確對(duì)照，整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建需要具備四大屬性，分別是準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、協(xié)調(diào)性和閉環(huán)性。

準(zhǔn)確性也稱之為保真性，這一特性要求數(shù)字孿生系統(tǒng)獲取到的數(shù)字是真實(shí)準(zhǔn)確的，這個(gè)數(shù)據(jù)越精準(zhǔn)，那么虛擬模型和物理實(shí)體的接近性越強(qiáng)。在此過程中，不僅是要在系統(tǒng)中構(gòu)建各個(gè)設(shè)備、產(chǎn)品、產(chǎn)線的仿真數(shù)據(jù)，也要有物理實(shí)體的狀態(tài)、相態(tài)和時(shí)態(tài)仿真。

對(duì)于實(shí)時(shí)性的要求則是基于因?yàn)閿?shù)字孿生是多維度、多時(shí)間尺度虛擬交互的耦合關(guān)系，以虛控實(shí)為最終目的。因此，要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制，就需要實(shí)時(shí)獲取物理實(shí)體的狀態(tài)量，形成物理實(shí)體實(shí)時(shí)狀態(tài)的數(shù)字虛體映射。

協(xié)調(diào)性可以進(jìn)一步分為互操作性和可擴(kuò)展性，要求數(shù)字孿生中的物理對(duì)象和數(shù)字空間能夠雙向映射、動(dòng)態(tài)交互和實(shí)時(shí)連接，并且單一物理實(shí)體在不同的數(shù)字模型中支持互操作，以簡(jiǎn)化流程的復(fù)雜性。當(dāng)然，由于生產(chǎn)任務(wù)的變動(dòng)以及系統(tǒng)升級(jí)等需求存在，構(gòu)建好的數(shù)字孿生系統(tǒng)在物理層級(jí)和數(shù)字架構(gòu)層級(jí)上都要具備可擴(kuò)展性，這是數(shù)字孿生和柔性生產(chǎn)融合的重點(diǎn)和要點(diǎn)。

閉環(huán)性是指數(shù)字孿生系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)的可視化功能和內(nèi)在機(jī)理要有統(tǒng)一的平臺(tái)控制，因此各系統(tǒng)的監(jiān)視、分析、推理、優(yōu)化、運(yùn)行功能存在閉環(huán)，具有明顯的權(quán)限邊界。

當(dāng)具備上述特性之后，數(shù)字孿生系統(tǒng)就能夠正式運(yùn)轉(zhuǎn)起來了。通過引入數(shù)字孿生系統(tǒng)，能夠給制造產(chǎn)業(yè)、大型結(jié)構(gòu)項(xiàng)目（建筑物、橋梁等）、電力設(shè)備和復(fù)雜系統(tǒng)項(xiàng)目（渦輪蒸汽機(jī)、飛機(jī)等）等應(yīng)用帶來智能生產(chǎn)和智能管理的新模式。

尤其是在研發(fā)、生產(chǎn)和設(shè)備管理方面：

01

研發(fā)：數(shù)字孿生可以基于現(xiàn)有產(chǎn)品創(chuàng)建大量的關(guān)鍵性能數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)研發(fā)部門具有很大的參考價(jià)值，能夠在產(chǎn)品迭代中進(jìn)行必要的性能改進(jìn)；

02

生產(chǎn)：數(shù)字孿生系統(tǒng)可以鏡像和監(jiān)測(cè)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)，當(dāng)有產(chǎn)品投入生產(chǎn)后，該系統(tǒng)能夠讓生產(chǎn)任務(wù)實(shí)現(xiàn)和保持更高的效率，并通過監(jiān)管預(yù)測(cè)系統(tǒng)降低生產(chǎn)中的風(fēng)險(xiǎn)；

03

設(shè)備管理：數(shù)字孿生中的仿真模型是基于物理實(shí)體的，對(duì)于設(shè)備的生命周期有著明確的信息，可以幫助制造商決定如何處理工作壽命結(jié)束的產(chǎn)品，并通過回收或其他措施進(jìn)行最終處理。

總結(jié)而言，數(shù)字孿生能夠幫助重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)全要素?cái)?shù)字化，完成數(shù)字經(jīng)濟(jì)和實(shí)體經(jīng)濟(jì)的有效融合，助力產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化升級(jí)。

傳感器在數(shù)字孿生中的應(yīng)用

上文中我們主要討論了數(shù)字孿生的屬性和價(jià)值，接下來我們看看如何具體地實(shí)施數(shù)字孿生。下圖是中國電力科學(xué)研究院人工智能應(yīng)用研究所分享的一張數(shù)字孿生應(yīng)用框架圖，能夠看到，在物理對(duì)象之上，數(shù)字孿生系統(tǒng)包括感知、數(shù)據(jù)、建模、可視化和應(yīng)用五層架構(gòu)。那么，感知系統(tǒng)便是整個(gè)系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)，是數(shù)據(jù)采集的入口。

圖2：數(shù)字孿生系統(tǒng)框圖

（圖源：中國電力科學(xué)研究院人工智能應(yīng)用研究所）

感知技術(shù)對(duì)運(yùn)行環(huán)境和數(shù)字孿生組成部件自身狀態(tài)數(shù)據(jù)的獲取，是實(shí)現(xiàn)物理對(duì)象與其數(shù)字孿生系統(tǒng)間全要素、全業(yè)務(wù)、全流程精準(zhǔn)映射與實(shí)時(shí)交互的重要一環(huán)。因此，物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)和建模技術(shù)也是數(shù)字孿生在數(shù)字仿真階段非常重要的兩項(xiàng)技術(shù)。

以電力設(shè)備的數(shù)字孿生應(yīng)用為例，不僅需要精準(zhǔn)掌握發(fā)/輸/配電方面的信息，對(duì)于電站周邊氣象數(shù)據(jù)以及設(shè)備溫度、聲音、振動(dòng)等數(shù)據(jù)也要準(zhǔn)確把握，因此需要配備大量震動(dòng)、溫度、濕度等傳感器。通過數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)測(cè)量，以及數(shù)據(jù)之間的協(xié)同交互，便能夠保證電力設(shè)備的可信、可控。

其他數(shù)字孿生應(yīng)用構(gòu)建同樣需要大量的傳感器。在此，我們?yōu)榇蠹?a target="_blank">推薦兩款可用于數(shù)字孿生應(yīng)用的傳感器，它們可以幫助打造設(shè)備、生產(chǎn)、倉儲(chǔ)等所需要的空氣環(huán)境，兩款設(shè)備均是空氣質(zhì)量傳感器，來自制造商Sensirion。

在數(shù)字孿生應(yīng)用中，空氣質(zhì)量傳感器的應(yīng)用非常廣泛，無論是工業(yè)制造，還是城市管理等應(yīng)用都離不開空氣質(zhì)量傳感器。比如，在城市管理中通過空氣質(zhì)量傳感器能夠模擬碳排放和空氣質(zhì)量等重要指標(biāo)，減少資源的浪費(fèi)和環(huán)境的污染，幫助規(guī)劃者制定科學(xué)有效的城市規(guī)劃策略。

首先，我們要介紹的第一款空氣質(zhì)量傳感器在貿(mào)澤電子官網(wǎng)上的料號(hào)為SGP41-D-R4。

圖3：SGP41-D-R4

（圖源：貿(mào)澤電子）

SGP41-D-R4屬于Sensirion SGP41 CMOSens/MOXSens數(shù)字式空氣質(zhì)量傳感器中的一款，是一種完整、易于使用的單芯片傳感器系統(tǒng)。該系列器件具有優(yōu)秀的性能，提供基于VOC和基于NOx的室內(nèi)空氣質(zhì)量信號(hào)，擁有500個(gè)VOC和NOx索引點(diǎn)，可完成65,535計(jì)次測(cè)量；器件之間的變化分別為<±15個(gè)VOC索引點(diǎn)和<±50個(gè)NOx索引點(diǎn)；可重復(fù)性為<±5個(gè)VOC索引點(diǎn)和<±10個(gè)NOx索引點(diǎn)；采樣間隔范圍為0.5s至10s。

在清潔空氣測(cè)量中，該系列數(shù)字式空氣質(zhì)量傳感器可測(cè)量空氣中乙醇為0至1,000,000ppb，指定值為500ppb至10,000ppb；在潔凈空氣測(cè)量中，該系列數(shù)字式空氣質(zhì)量傳感器可測(cè)量NO2范圍為0至10,000ppb，指定值為50ppb至650ppb。

圖4：SGP41系列數(shù)字式空氣質(zhì)量傳感器

對(duì)乙醇、NO₂和O₃的測(cè)量表現(xiàn)

（圖源：Sensirion）

SGP41系列之所以具有如此優(yōu)秀的性能，得益于該系列數(shù)字式空氣質(zhì)量傳感器的設(shè)計(jì)。器件內(nèi)具有數(shù)字I²C接口和溫控微熱板，搭載的傳感元件和氣體索引算法具有對(duì)空氣質(zhì)量應(yīng)用中存在的污染氣體的高魯棒性，從而實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和低漂移。小尺寸封裝可以輕松集成到空氣凈化器或按需控制的通風(fēng)系統(tǒng)，產(chǎn)品壽命超過10年。

圖5：SGP41系列數(shù)字式空氣質(zhì)量傳感器內(nèi)部框圖

（圖源：Sensirion）

第二款空氣質(zhì)量傳感器在貿(mào)澤電子官網(wǎng)上的料號(hào)為SCD40-D-R2，屬于SCD4x微型二氧化碳傳感器中的一款。當(dāng)然，該系列器件不僅能夠測(cè)量二氧化碳，也可以測(cè)量相對(duì)溫度和相對(duì)濕度(RH/T)。

圖6：SCD4x微型二氧化碳傳感器

（圖源：貿(mào)澤電子）

SCD4x微型二氧化碳傳感器具有2.4V至5.5V電源電壓范圍、完全校準(zhǔn)的數(shù)字I²C輸出以及±（30ppm+3%MV）精度標(biāo)稱值。該系列中不同型號(hào)的器件提供不同的精度選擇，具體如下表所示：

SCD4x微型二氧化碳傳感器采用了光聲感測(cè)原理，光學(xué)腔的尺寸大幅減小，同時(shí)不會(huì)影響傳感器性能。SCD4x的尺寸僅為10.1mm x 10.1mm x 6.5mm，與SCD30相比，占位面積僅為前者的1/5。另外，SCD4x系列設(shè)有高質(zhì)量濕度和溫度傳感器，可提供兩個(gè)額外傳感器輸出。

圖7：SCD4x系列器件內(nèi)部框圖

（圖源：Sensirion）

特別要提到的是，SCD4x系列具有非常棒的易用性，采用表面貼裝，機(jī)械堅(jiān)固，可進(jìn)行回流焊；無需外部電路，無能量損耗，組裝后即可提供準(zhǔn)確讀數(shù)。SCD4x系列非常適合用于傳感市場(chǎng)，如物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、汽車、暖通空調(diào)、電器和消費(fèi)電子產(chǎn)品。

數(shù)字孿生三大發(fā)展趨勢(shì)，傳感器如何應(yīng)對(duì)？

數(shù)字孿生的目標(biāo)是將物理世界數(shù)字化，因此其有三大明顯的發(fā)展趨勢(shì)，分別是智能化、物聯(lián)網(wǎng)化和應(yīng)用廣泛化。隨著滲透率提升，通過數(shù)字孿生技術(shù)，我們可以更好地理解和掌握復(fù)雜系統(tǒng)，并提供有效的優(yōu)化和決策支持。不過，無論數(shù)字孿生技術(shù)如何迭代發(fā)展，其技術(shù)框架體系是較為固定的，離不開廣泛布局的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)然，隨著數(shù)字孿生系統(tǒng)復(fù)雜度提升，傳感器也要順應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)，向著集成化、智能化和小型化方向不斷升級(jí)。在貿(mào)澤電子官網(wǎng)上，不僅能夠找到性能優(yōu)秀的傳感器，還有豐富的元器件和方案可用于數(shù)字孿生，加速大家的方案開發(fā)。

Sensirion相關(guān)技術(shù)資源

SGP41 CMOSens/MOXSens數(shù)字式空氣質(zhì)量傳感器，了解詳情>>

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