2020年9月,第22屆中國國際工業(yè)博覽會在上海國家會展中心舉行,博覽會上國家電網(wǎng)首次展示國內(nèi)首個“會思考”的電網(wǎng)設備數(shù)字孿生系統(tǒng)和自主研發(fā)的現(xiàn)場試驗輔助決策成套裝置。當前正處在能源革命與數(shù)字革命深度融合的交匯點,國家電網(wǎng)主動跨前一步,用數(shù)字化手段推動電網(wǎng)向智慧化方向發(fā)展,引領數(shù)字孿生能源互聯(lián)網(wǎng)建設,打造優(yōu)勢互補、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,成為一個炙手可熱的發(fā)展概念。當前,以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術為代表的數(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)字孿生技術應運而生。
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走進“數(shù)字雙胞胎”
2018年史蒂文·斯皮爾伯格執(zhí)導的《頭號玩家》,在全球上映,影片中現(xiàn)實世界的人類在游戲《綠洲》中存在一個虛擬的自己,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)字技術模擬、仿真物理對象在現(xiàn)實世界中的行為。
2011年3月,美國空軍研究實驗室在一次演講中,明確提到了數(shù)字孿生這一名詞,美國空軍研究實驗室成為了最早提出這一概念的機構;
有材料顯示,同期美國國家航空航天局也開始關注數(shù)字孿生體,但后續(xù)對數(shù)字孿生體體系的搭建研究不夠深入,貢獻有限。反而是美國國防部立刻意識到數(shù)字孿生技術將成為重要的工程工具,值得全面研發(fā);與此同時,美國通用電氣(GE)在為美國國防部提供F-35聯(lián)合攻擊機解決方案的時候,發(fā)現(xiàn)數(shù)字孿生技術是工業(yè)數(shù)字化過程中的有效工程工具,并開始利用數(shù)字孿生體系構建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系。
關于數(shù)字孿生的定義內(nèi)涵,國外眾多研究機構和國內(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:數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù),集成多學科、多物理量、多尺度的仿真過程,在虛擬空間中完成對物理實體的映射,從而反映物理實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)字孿生是一個對物理實體或流程的數(shù)字化鏡像。創(chuàng)建數(shù)字孿生的過程,集成了人工智能、機器學習和傳感器數(shù)據(jù),以建立一個可以實時更新的、現(xiàn)場感極強的“真實”模型,用來支撐物理產(chǎn)品生命周期各項活動的決策。
目前尚無業(yè)界公認的標準定義,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)字孿生由三部分構成:
物理空間的實體產(chǎn)品;
虛擬空間的虛擬產(chǎn)品;
虛實之間的連接數(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、運行歷史等數(shù)據(jù),集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真,從而反映相對應的實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陶飛教授在上海CIMS大會上做了題為《五維數(shù)學孿生模型及十個領域應用探索》的學術報告,報告中指出傳統(tǒng)數(shù)字孿生的三維模型已無法滿足現(xiàn)階段技術發(fā)展與應用需求,北航數(shù)字孿生技術研究小組提出了數(shù)字孿生五維模型的概念,以適應新需求。





source:數(shù)字孿生五維模型及十大領域應用探索,陶飛
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數(shù)據(jù)孿生應用探索
從2014年開始,西門子、達索、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”術語,并陸續(xù)在Digital Twin的技術構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大頂尖技術之首。
數(shù)字孿生正在成為眾多跨國企業(yè)業(yè)務布局的新方向。
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數(shù)字孿生工業(yè)應用
基于模型、數(shù)據(jù)、服務等方面的優(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、學者和企業(yè)研究與應用,目前數(shù)字孿生在制造領域開展了較多的應用探索和落地實踐,但在航空航天、電力、汽車、智慧城市、健康醫(yī)療等領域也具有廣闊的應用價值和應用前景。
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,自動化科學與電氣工程學院,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
通過建設城市數(shù)字孿生體,以定量與定性結合的形式,在數(shù)字世界推演天氣環(huán)境、基礎設施、人口土地、產(chǎn)業(yè)交通等要素的交互運行,繪制“城市畫像”,支撐決策者在物理世界實現(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)開始實施的數(shù)字孿生城市項目是虛擬新加坡(Virtual Singapore),虛擬新加坡(Virtual Singapore)由NRF(新加坡國家研究基金會)和Dassault Systems(達索)合作開發(fā),包含靜態(tài)和實時數(shù)據(jù),解決城市能耗、廢物處理、社區(qū)導航、交通規(guī)劃、疾病傳播等問題。
圖片來源于網(wǎng)絡
2014年-2016年期間虛擬新加坡項目已完成城市空間初步數(shù)據(jù)采集,包括地理信息、城市設施(公交站、路燈、交通信號燈、高架橋)
隨著城市數(shù)字模型的擴充與發(fā)展,數(shù)字孿生技術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)、城市應急系統(tǒng)、Wi-Fi網(wǎng)絡,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
達索、海信等公司嘗試將數(shù)字孿生與醫(yī)療服務相結合,實現(xiàn)人體運行機理和醫(yī)療設備的動態(tài)監(jiān)測、模擬和仿真,可加快科研創(chuàng)新向臨床實踐的轉(zhuǎn)化速度、提高醫(yī)療診斷效率、優(yōu)化醫(yī)療設備質(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)
達索系統(tǒng)有一個非常著名的項目叫數(shù)字心臟(Living Heart),在數(shù)字世界構建一個數(shù)字孿生的心臟。這項工作的基礎是,通過研究心臟生物學、物理學、化學的作用規(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,還原復制人類心臟的真實運行,基于對心臟物理、化學、生物規(guī)律完全掌握的基礎上,構建一個數(shù)字心臟。
圖片來源于網(wǎng)絡
數(shù)字心臟已經(jīng)在臨床上創(chuàng)造了許多新的價值,一是數(shù)字心臟能夠提高心臟手術質(zhì)量、降低手術風險;二是數(shù)字心臟在開展各類心臟臨床醫(yī)學的教學教研中有著至關重要的作用;三是加快了改進藥物、醫(yī)療器械設計等許可通過的流程。
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智慧電站:數(shù)字孿生+電網(wǎng)建設
2019年,國家電網(wǎng)以35千伏蔡倫站為試點,率先打造國內(nèi)首個“會思考”的電網(wǎng)設備數(shù)字孿生系統(tǒng),利用傳感器采集的高密度實時數(shù)據(jù),建立真實設備在虛擬空間中的映射,準確把控設備的實時狀態(tài)變化,利用環(huán)形驗證、專家知識以及人工智能技術,提供設備遠程運維、設備異常趨勢預警、檢修策略精準決策、設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,為構建萬物互聯(lián)、全面感知、虛實交互的智慧城市按下“快進鍵”。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)設備,推動從數(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,為地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展提供“世界會客廳”級的供能保障。
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數(shù)據(jù)孿生的未來展望
整體來看,數(shù)字孿生技術還處于初期環(huán)節(jié),要實現(xiàn)成熟運用,還必須克服許多艱難。但能夠肯定的是,在數(shù)字時期的將來,數(shù)字孿生不僅僅是一項通用使能技術,也將徹底改變大家發(fā)現(xiàn)、認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用,但是我們相信,隨著技術不斷演進,精密設備的增加,數(shù)字孿生技術應用的場景也會相應增加。
國網(wǎng)江蘇綜合能源服務有限公司,以“踐行能源革命,成就客戶夢想”為服務宗旨,積極踐行“四個革命,一個合作”的能源安全新戰(zhàn)略,緊跟技術浪潮,不斷提升能源技術自主創(chuàng)新能力,研發(fā)并掌握核心技術,致力于將最先進實用高效的技術運用于能源互聯(lián)網(wǎng)領域,為我國能源安全發(fā)展貢獻國網(wǎng)力量。
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數(shù)字孿生
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原文標題:數(shù)字孿生技術:科技與科幻的分界線!
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