數(shù)字孿生：如何理解？如何應(yīng)用？如何落地？

當(dāng)前，數(shù)字孿生的各種工具、平臺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)用的新高潮。然而，一些企業(yè)并未真正有實質(zhì)性地投入數(shù)字孿生，只是跟風(fēng)蹭熱度，以達到制造影響力，實現(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。

實際上，整體的行業(yè)感知是，數(shù)字孿生應(yīng)用仍處于非常初級的階段，規(guī)?；?、成熟化、商業(yè)化地應(yīng)用數(shù)字孿生仍有很長一段路要走。

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體應(yīng)聯(lián)系在一起。數(shù)字孿生體是描述物理對象在其全生命周期中與其系統(tǒng)動態(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)字孿生是一個伴隨著多種技術(shù)不斷發(fā)展的，一個長期的、綜合的、動態(tài)的、不斷進化的過程。鑒于當(dāng)下人們對于數(shù)字孿生還存在一些模糊認(rèn)識，甚至誤解，因而有必要重新認(rèn)識數(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)品的運行過程都是動態(tài)的，只有在對動態(tài)問題更深刻認(rèn)識并施于相應(yīng)控制，這才是數(shù)字孿生最重要的意義所在。

3、數(shù)字孿生不僅是對象的，更是環(huán)境的、系統(tǒng)的【2】。很多人尚未意識到，數(shù)字孿生技術(shù)可以仿真人在實際問題中感知不到的某些環(huán)境。

4、數(shù)字孿生不只是針對產(chǎn)品，還有針對使用者的【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，而且在產(chǎn)品的制造、運行、維護等全生命周期過程中，都不斷地產(chǎn)生孿生數(shù)據(jù)。

6、一個物理實體不是僅對應(yīng)一個數(shù)字孿生體，可能需要多個從不同側(cè)面或視角描述的數(shù)字孿生體【2】。例如，一臺機床加工時的振動變形情況、熱變形情況、刀具與工件相互作用的情況，需要不同的數(shù)字孿生模型進行描述。

7、不同的建模者從某一個特定視角描述一個物理實體的數(shù)字孿生模型似乎應(yīng)該是一樣的，但實際上可能有很大差異【2】。一個物理實體可能對應(yīng)多個數(shù)字孿生體。差異不僅是模型的表達形式，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踐者去完善和豐富。

10、數(shù)字孿生體不能只是物理實體的鏡像，而是與物理實體共生【2】。在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)階段，數(shù)字孿生體是物理實體在“孕育”階段的“胚胎”。在物理實體系統(tǒng)的運行過程中，各種過程數(shù)據(jù)又不斷地豐富數(shù)字孿生模型。在產(chǎn)品運行過程中，孿生模型對獲得的數(shù)據(jù)進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體的數(shù)字表達，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（即實體的設(shè)計開發(fā)過程）和服役過程（運行、使用）中的物理實體（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)該先于實物對象產(chǎn)生。這是由于在工業(yè)上，研發(fā)設(shè)計階段的模型構(gòu)建是產(chǎn)品全生命周期的起點，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)字模型后有物理實體。

13、數(shù)字孿生不僅是可視化。可視化只是數(shù)字孿生的呈現(xiàn)，最終還要看數(shù)字孿生的真正用途，例如通過對數(shù)字孿生模型進行模擬、預(yù)測，實現(xiàn)物理實體的運作和優(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)建物理實體所對應(yīng)的數(shù)字孿生模型，并對數(shù)字孿生模型進行可視化、調(diào)試、體驗、分析與優(yōu)化，從而提升物理實體性能和運行績效的綜合性技術(shù)策略，是企業(yè)推進數(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)濟時代，數(shù)字孿生作為實現(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。隨著各項關(guān)鍵使能技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字孿生的應(yīng)用價值有望得到進一步釋放。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)計技術(shù)創(chuàng)建現(xiàn)實世界中的物理實體。從早期的二維設(shè)計發(fā)展到三維建模，從三維線框造型進化到三維實體造型、特征造型，數(shù)字化設(shè)計技術(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)計技術(shù)建立的模型，往往包括了物理實體的各種屬性，如幾何形狀、裝配、運動、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、動畫、燈光，然后通過渲染得到模型和動畫的最終顯示效果。按照渲染模式，主要分為離線渲染和實時渲染兩種類別。離線渲染是在渲染前將圖像的計算和分析完成，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；實時渲染是指在實時交互過程中，將圖像實時渲染到屏幕上，這種方式需要對圖像進行實時計算和處理，因此對計算機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)實現(xiàn)數(shù)字孿生應(yīng)用的重要支撐技術(shù)之一。通過對物理現(xiàn)象的精確模擬，仿真技術(shù)在數(shù)字孿生中被用于預(yù)測和優(yōu)化。仿真技術(shù)種類繁多，涵蓋了多個學(xué)科、多個領(lǐng)域的知識和經(jīng)驗。從早期的有限元分析到對流場、熱場、電磁場等多個物理場的仿真，對鑄造、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、振動分析等均有涉獵。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有知識提取的能力，有助于建立一個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，實時獲取物理實體諸如聲音、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控制設(shè)備進行連接，目的是對復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)進行功能測試。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，并驗證布局、優(yōu)化機器的動作流程，進行加工路徑與工藝參數(shù)的工藝仿真分析，對機器人或機床設(shè)備編程驗證，接入機電訊號并與電器行為同時調(diào)試驗證，包括傳感器、閥門、PLC程序和HMI軟件等。 可視化技術(shù)是利用計算機圖形學(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)計領(lǐng)域，可通過柱狀圖、折線圖、散點圖等圖表形式展現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系和趨勢；在科學(xué)與工程領(lǐng)域，通過動態(tài)3D可視化的呈現(xiàn)計算結(jié)果，幫助人們直觀理解復(fù)雜物理和數(shù)學(xué)的特點與規(guī)律；在商業(yè)和金融領(lǐng)域，通過將市場趨勢、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支撐技術(shù)。 除了上述技術(shù)，大數(shù)據(jù)、云計算、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)字孿生平臺上的模型和數(shù)據(jù)，進而釋放數(shù)據(jù)背后所隱藏的價值和信息；云計算有助于數(shù)字孿生平臺的部署，從而實現(xiàn)計算資源便捷、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)字孿生平臺應(yīng)用時的數(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，又促進了這些關(guān)鍵使能技術(shù)的進一步發(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、羅克韋爾自動化、AVEVA、Altair、微軟、IBM、達索系統(tǒng)、Maplesoft、Bentley等為代表的國際知名供應(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，由于各個行業(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與羅克韋爾自動化、Ansys展開合作，將Ansys的仿真能力、羅克韋爾的工業(yè)自動化硬件設(shè)備被融入到了PTC的物聯(lián)網(wǎng)框架之下，實現(xiàn)了數(shù)字孿生能力的融合與貫通。

? 西門子與英偉達建立合作伙伴關(guān)系，通過連接開放式數(shù)字業(yè)務(wù)平臺Xcelerator與3D設(shè)計和協(xié)作平臺Omniverse，形成數(shù)字與現(xiàn)實世界精準(zhǔn)映射的數(shù)字孿生。

? Ansys將擴展與微軟的合作，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/機器學(xué)（AI/ML）系統(tǒng)。

? 達索系統(tǒng)與IBM為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)并達成業(yè)務(wù)連續(xù)性，決定將3DEXPERIENCE平臺和數(shù)字孿生體驗，與資產(chǎn)管理、資源優(yōu)化、環(huán)境風(fēng)險管理和環(huán)境、社會和公司治理（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)用價值得到進一步釋放，從航空航天、工業(yè)設(shè)施、發(fā)電廠等高價值用例轉(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)計工作室（Design Studio），賦予其超級工廠數(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、生產(chǎn)、使用體驗，確定了特斯拉的江湖地位。

特斯拉在電動汽車制造中應(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)整和測試產(chǎn)品性能。在自動駕駛方面，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)，有助于解釋自動駕駛中人、車的復(fù)雜行為，實現(xiàn)車輛的自動駕駛。 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6697組后臺服務(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)會在日本最大私人基金會之一的日本財團 (Nippon Foundation)支持下啟動了“船體結(jié)構(gòu)高精度數(shù)字孿生模型研發(fā)”項目，聯(lián)合6家造船企業(yè)以及大學(xué)、航運公司、國家海事研究機構(gòu)和日本船級社等單位共同參與，共同研究數(shù)字孿生技術(shù)，旨在把船舶海上航行時船體狀態(tài)在網(wǎng)絡(luò)空間再現(xiàn)，提高船舶安全性。

通過創(chuàng)建一個船舶的網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)，包含現(xiàn)實世界的信息，可以實現(xiàn)利用船舶結(jié)構(gòu)數(shù)字模型同化船上測量數(shù)據(jù)，高精度地評估船舶的健康狀況。船上測量包括遇到波浪的信息、船體張力和船舶在波浪中的運動。 該項目由監(jiān)測、仿真、完整性評估三個要素組成。其中，監(jiān)測是使用數(shù)據(jù)同化方法來開發(fā)從有限的測量中評估船體所有零部件的結(jié)構(gòu)響應(yīng)的技術(shù)。在現(xiàn)代船舶試驗和船上測量的基礎(chǔ)上，發(fā)展了能夠高效、準(zhǔn)確地再現(xiàn)真實世界現(xiàn)象的仿真方法，并得到了驗證。 該項目的技術(shù)驗證是通過在納什維爾海洋研究所的實際海洋模型盆地的模型轉(zhuǎn)移試驗進行的。模型船上安裝了數(shù)以百計的光纖，如應(yīng)變測試儀和壓力傳感器，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)營者、陸地管理者和船舶設(shè)計師可以通過網(wǎng)絡(luò)再現(xiàn)和共享實際航道中正在行駛的船只。通過基于網(wǎng)絡(luò)船舶的統(tǒng)計推斷方法對船舶進行客觀的整體評價，有助于提高海上運輸?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行監(jiān)測，這將使遠(yuǎn)程和自動操作成為可能。船舶在未來海況下的狀態(tài)可以被準(zhǔn)確預(yù)測，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行船舶設(shè)計和管理，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。該項目最終目標(biāo)是通過基于實時數(shù)字船體狀態(tài)信息的先進數(shù)據(jù)分析技術(shù)，提高船舶的安全性和效率。

案例三：電廠運用數(shù)字孿生

邁向清潔和可持續(xù)【7】

電廠由粉碎機、鍋爐、汽輪機和燃?xì)廨啓C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)化和定期維護非常具有挑戰(zhàn)性。鑒于電廠運營的復(fù)雜性和規(guī)模，實時做出決策勢在必行，因為延誤會導(dǎo)致巨大損失和災(zāi)難性事故。 數(shù)字孿生能復(fù)制現(xiàn)實物理系統(tǒng)的行為，同時保持與物理實體系統(tǒng)的實際通信，并提出改進工廠運營的建議。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)和接受先進算法的訓(xùn)練，以預(yù)測當(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1000兆瓦機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。但如何實時確定鍋爐的最佳運行設(shè)置，以響應(yīng)燃料特性的變化和波動的電力需求？

鍋爐的數(shù)字孿生可以檢測煤的變化、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，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，其波動的電力需求使其能以較低的熱效率運行，但容易受到過程故障的影響。

聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C數(shù)字孿生可以學(xué)習(xí)過程動態(tài)并實時推薦最佳設(shè)置，提高熱效率。此外，通過早期故障檢測喝動態(tài)根本原因跟新，聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C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，燃煤發(fā)電產(chǎn)生了大量的SO2，因此煙氣脫硫裝置勢在必行。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)整煙氣脫硫的運行以降低泵送成本和石灰石用量，同時不影響其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。對于一個1000兆瓦的工廠，這種實時優(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)字孿生實現(xiàn)橋梁維護維修【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。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維修。 關(guān)聯(lián)視頻 挪威公共道路管理局采用數(shù)字孿生技術(shù)，預(yù)測橋梁的剩余壽命，并每5年進行一次例行檢查。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、動態(tài)變化，以及不同載荷對橋梁的影響。 通過運用數(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。如果橋梁動態(tài)偏離預(yù)設(shè)閾值，數(shù)字孿生系統(tǒng)將發(fā)出警報。

運用數(shù)字孿生監(jiān)控橋梁的整體活動 例如，2021年4月7日，挪威Stavabrua大橋發(fā)出了此類警報，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)危機情況時，檢測、理解并及時反饋。 當(dāng)然，橋梁維護維修不僅僅是挪威的問題，在德國超過12%的橋梁狀況不佳，在美國不佳數(shù)量超過三分之一，挪威公共道路管理局希望通過對關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的實時監(jiān)控，提高橋梁使用的安全性，還降低維護維修成本。 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，未來還會應(yīng)用在隧道以及整個道路系統(tǒng)上，通過依靠人、傳感器系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)中的知識和數(shù)據(jù)，讓維護維修工作具備前瞻性、預(yù)測性。

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，融入實體變電站運行中的動態(tài)信息，并在變電站設(shè)計之初就以移交運行使用的標(biāo)準(zhǔn)進行建造、驗收、投運，在投運后可以同步顯示實體變電站的所有信息。

110千伏博藝站 實體變電站建設(shè)的同時，一座“拷貝不走樣”的數(shù)字變電站也在同步建設(shè)，投運后，這對“孿生兄弟”一個在實地，一個在遠(yuǎn)端，一個負(fù)責(zé)實際供配電，一個體現(xiàn)錯綜復(fù)雜的數(shù)據(jù)。 110千伏博藝站數(shù)字孿生系統(tǒng)的建成具有劃時代的意義，實體變電站、數(shù)字孿生系統(tǒng)的同步投運不僅突破了傳統(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，實現(xiàn)與運行人員的互動和交流，降低運維用人成本，進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

有助于患者實現(xiàn)個性化醫(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)是實時數(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，為個人健康管理和醫(yī)療保健服務(wù)提供新的平臺和新的實驗方法。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。

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：慢性病具有病程長、發(fā)病率高、種類多、治愈難度大等特點。同時，老年人身體虛弱，記憶力差，對醫(yī)療的知識和信息不足。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)備和手機獲取老年人的實時健康數(shù)據(jù)，對可能出現(xiàn)的異常情況進行及時計算分析，實現(xiàn)危機預(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行驗證，優(yōu)化治療方案，最終實現(xiàn)對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)測個體對感染或損傷的免疫反應(yīng)，從而可以對疾病進行精準(zhǔn)診斷，在很多方面起到換救生命的作用。精準(zhǔn)治療：當(dāng)一個人被疾病侵襲時，專家不需要與患者進行面對面的會診，只需在數(shù)據(jù)和數(shù)字孿生模型的幫助下進行遠(yuǎn)程會診，確定疾病的原因或進行預(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，警示盲點的危險，預(yù)測隱性出血，并根據(jù)情況幫助準(zhǔn)備或應(yīng)對行動。此外，數(shù)字孿生可用作驗證解剖結(jié)構(gòu)并避免對結(jié)構(gòu)造成不必要損壞的參考。 綜上所述，數(shù)字孿生有助于實現(xiàn)個性化醫(yī)療，包括在疾病惡化前進行針對性干預(yù)，進行準(zhǔn)確預(yù)測、準(zhǔn)確檢測和精準(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、生產(chǎn)、使用體驗環(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)實時顯示船體狀態(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)測橋梁的剩余壽命，有助于橋梁的維護維修；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；個性化醫(yī)療基于數(shù)字孿生技術(shù)，在疾病惡化前進行準(zhǔn)確預(yù)測、準(zhǔn)確檢測和精準(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)期望實現(xiàn)的目標(biāo)，聚焦于適合企業(yè)自身的場景進行應(yīng)用。目前，制造企業(yè)在推進數(shù)字孿生應(yīng)用時，基本有兩條戰(zhàn)略實施路線【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，實現(xiàn)虛擬樣機、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，實現(xiàn)透明化的裝備生產(chǎn)、運維和服務(wù)。 那么，應(yīng)當(dāng)如何落地數(shù)字孿生？可以參照以下幾個步驟【10】展開：

數(shù)字孿生實施步驟

1、預(yù)期目標(biāo)識別和確認(rèn)。理想的數(shù)字孿生實施方案是基于當(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)實施的效果；通過清晰、簡潔的列表給出目標(biāo)，并標(biāo)注優(yōu)先級。

2、評估現(xiàn)狀。審查達成目標(biāo)涉及的關(guān)鍵問題并逐個進行分析，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)實施計劃；根據(jù)項目實施進展的時間段，進行投資成本效益和價值回報分析。

3、實施。以預(yù)期的結(jié)果為指導(dǎo)，采用科學(xué)的方法來實施數(shù)字孿生，并根據(jù)實施進程逐步建立團隊。

4、擴展應(yīng)用。隨著項目的實施，數(shù)字孿生應(yīng)用需要持續(xù)改進和完善，以滿足未來需求；同時，數(shù)字孿生還面臨應(yīng)用功能的擴展，包括將單個環(huán)節(jié)擴展到全生命周期，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)字孿生的實際應(yīng)用過程中，企業(yè)也會面臨數(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)用場景和需求，數(shù)字孿生產(chǎn)品的功能、特點、擴展性和定制性，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?？偨Y(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經(jīng)濟發(fā)展的強大數(shù)字底座，在越來越多的行業(yè)發(fā)揮重要價值。