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數字孿生技術，作為現實世界與數字世界的橋梁，正逐漸成為工業4.0和智能制造的核心。它通過創建物理實體的虛擬副本，實現對實體的全面監控、預測和優化。

最近因為要給客戶設計工廠可視化大屏，包含設備展示與管控，涉及到數字孿生。從而和大家一起探討一下，什么是數字孿生？有什么價值和特點？有哪些應用及案例？

一、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。

工信部2020版《數字孿生白皮書》中定義：

數字孿生是以數字化方式創建物理實體的虛擬實體，借助歷史數據、實時數據、以及算法模型等，模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程的技術手段。

▲ 數字孿生

直白一些的理解就是，在一個系統基礎上，創造一個數字版的“克隆體”。

其中最重要的兩個部分是物理實體和虛擬實體。

物理實體可以是任何事物，例如機器、設備、建筑、城市、生態系統等；虛擬實體，即是數字化模型，是基于物理實體的數據和信息進行建模，包括幾何形狀、結構、材料、運行狀態、環境參數等。

虛擬實體可以對物理實體進行仿真、預測、驗證、控制、優化等操作。

數字孿生最早起源于美國航天局阿波羅計劃。

在這個計劃中，構建了兩個相同的航天飛行器，一個用于太空執行任務，另一個則留在地球。

留在地球的【孿生模型】用于實時反映太空中航天器的狀態，針對在太空執行任務飛行器的各種情況做更好的模擬、反饋、演練、跟進、調整，極大地提升了太空任務的安全性和可靠性。

▲ 數字孿生

數字孿生體構建在信息化平臺上，會隨著物理實體傳感器反饋的數據及歷史運行數據來進行有規則的聯動。

即是物理實體的實時狀態和外界環境條件，都會復現到數字孿生體上。

同時，也支持通過數字化孿生體來控制物理實體，實現遠程操控。

更重要的是，需要對物理實體有設計改動，可以先在孿生體上進行“實驗”，不僅避免對物理實體的影響，也可以提高效率、節約成本。

二、價值和特點

在設計創新領域，數字孿生技術可以在虛擬環境中對物理實體進行模擬和測試，從而避免在實際操作中可能出現的錯誤和故障。

可以設計高鐵、火箭、宇宙飛船；可以升級飛機、衛星、空間站；可以創新人形機器人、無人飛機…

在生產制造領域，數字孿生技術可以輔助制造商在虛擬環境中對產品設計進行多次迭代和優化，從而確保最終產品的性能和質量。同時，數字孿生還可以幫助制造商優化生產流程，提高生產效率。

可以迭代硬盤結構設計，2T、5T的硬盤再也不是磚頭大??；可以更新芯片設計，優化制造流程，盡量減少高端芯片卡殼的限制，在保住大量市場的情況下為高端芯片的突破提供基礎；可以模擬無人工廠、無人倉儲，進一步提升制造、物流效率…

在實時監測和預測性維護領域，數字孿生技術可以實時監測物理實體的狀態，并根據收集到的數據進行預測性維護。這可以及時發現潛在故障，避免設備停機和生產中斷，從而降低維護成本和提高設備的可用性。

可以將重點、核心設備數字孿生化，遠程、準實時監控；可以設備故障上報自動化，設備異?？焖偕蠄?，縮短信息傳遞時間，減少現場業務中斷；可以趨勢分析、匯總統計，總結故障先兆，對設備進行預測性維護…

▲ 數字孿生車間

數字孿生具有以下幾個典型特點：

• 保真性 ：保真性是指描述數字虛體模型和物理實體的接近性，要求虛體和實體不僅要保持幾何結構的高度仿真，在狀態、相態和時態上也要仿真。
• 互操作性 ：數字孿生中的物理對象和數字空間能夠雙向映射、動態交互和實時連接。數字孿生具備以多樣的數字模型映射物理實體的能力，具有能夠在不同數字模型之間轉換、合并和建立“表達”的等同性 。
• 可擴展性 ：數字孿生技術具備集成、添加和替換數字模型的能力，能夠針對多尺度、多物理、多層級的模型內容進行擴展。
• 實時性 ：數字孿生技術要求數字化，以一種計算機可識別和處理的方式管理數據以對隨時間軸變化的物理實體進行表征。表征的對象包括外觀、狀態、屬性、內在機理，形成物理實體實時狀態的數字虛體映射。
• 閉環性 ：數字孿生中的數字虛體，用于描述物理實體的可視化模型和內在機理，以便于對物理實體的狀態數據進行監視、分析推理、優化工藝參數和運行參數，實現決策功能，即賦予數字虛體和物理實體一個大腦。

▲ 數字孿生閉環

三、應用及樣例

數字孿生的應用非常廣泛，包括但不限于制造業、智慧城市、航空航天、醫療健康等領域：

• 在制造業中，數字孿生可以用于產品設計、生產流程優化、設備預測性維護等方面；
• 在智慧城市中，數字孿生可以用于城市規劃、交通管理、環境監測等方面；
• 在航空航天領域，數字孿生可以用于飛機設計、飛行模擬、故障預測等方面；
• 在醫療健康領域，數字孿生可以用于患者診斷、手術模擬、藥物研發等方面。

▲ 數字孿生應用

在制造業中，數字孿生技術使得生產過程更加自動化和智能化。通過集成物聯網、人工智能等技術，制造商可以實現生產過程的實時監控和智能控制。這樣，制造商可以減少對人工干預的依賴，降低人為因素導致的資源浪費和環境污染。

▲ 數字工廠案例

為改善臨港新片區電網結構，解決配電網的薄弱環節，國網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。

作為第一座試點變電站，博藝站從建設之初就以“數字孿生變電站”為建設理念，在打造的三維變電站模型基礎上，融入實體變電站運行中的動態信息，并在變電站設計之初就以移交運行使用的標準進行建造、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

實體變電站建設的同時，一座“拷貝不走樣”的數字變電站也在同步建設，投運后，這對“孿生兄弟”一個在實地，一個在遠端，一個負責實際供配電，一個體現錯綜復雜的數據。

110千伏博藝站數字孿生系統的建成具有劃時代的意義，實體變電站、數字孿生系統的同步投運不僅突破了傳統變電站的局限性，使變電站不再是從前冷冰冰的建筑和設備，而是具有思考和交互功能的數字智慧鏡像，實現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能力。

數字孿生技術作為一種創新性的數字化工具，通過構建物理對象的數字映射，實現虛擬與現實同步，集成了物聯網、云計算、人工智能、大數據等多種前沿技術，能夠對物理世界進行全方位的仿真和管理。

以此看，數字孿生是一項非常有潛力的前沿技術，會給企業帶來豐厚的價值回報。

但數字孿生，既需要深厚的技術沉淀，也需要巨大的資金投入，還需要管理水平和員工技能達到相應的層次，又需要理性看待。

相對來說，潛心研究、客觀評估、謹慎投入，才是打開數字孿生世界的正確姿勢。