在科技发展的今天，数字化成为了许多行业正在进行的变革。世界各国纷纷采取措施，将数字化技术应用到能源生产、输送、交易、消费及监管等各个环节。对于能源企业来说，数字化转型既是机遇，也是挑战。在这个系列当中，交能网将和大家一起解读数字化能力的重要基础——数字孪生（Digital Twin）。
最近几年，数字孪生（Digital Twin）这一概念引起了人们越来越多的关注，从早期在学术界引入这一概念，到现在许多数字化领先企业都在制定数字孪生解决方案，数字孪生无疑成为数字化转型的重要技术手段。本文将带读者一起探秘——数字孪生在制造业、电力以及智慧城市三大领域是如何发挥作用的？
数字孪生的起源和定义
有关数字孪生的想法最早是由佛罗里达理工学院的Michael Grieves教授在2002年的制造工程师学会会议上公开引入的，他认为通过物理设备的数据，可以在虚拟（信息）空间构建一个可以表征该物理设备的虚拟实体和子系统，并且这种联系不是单向和静态的，而是在整个产品的生命周期中都联系在一起。
Shafto和Vickers等人于十年前在美国NASA的路线图中明确定义了数字孪生（Digital Twin）这一名词并将其应用在航空领域。
而后，科学研究中提出了很多关于数字孪生的在不同应用领域的具体定义，虽然其通用定义由于不同场景下需求不同而很难有一个统一的标准，但所有定义都在强调两个重要特征：
1.数字孪生是有生命或无生命的物理实体的数字副本
2.通过桥接物理和虚拟世界，数据可以无缝传输，从而允许虚拟实体与物理实体同时存在
在学术界对数字孪生进行探讨的期间，许多致力于数字化转型的企业也发现了数字孪生的价值。一直致力于研究工业数字化的美国通用电气公司在为美国国防部提供F-35联合攻击机解决方案的时候便开始重视数字孪生。德国工业4.0的代表企业西门子公司也强调数字孪生在工业数字化中的重要作用，并将其应用到各业务领域内。从那之后，数字孪生这个概念，就开始风靡业界，直至今日。
数字孪生在各领域的应用
数字孪生作为数字化的基础技术可以渗透到很多行业当中，在这里我们以制造行业和能源行业为例介绍数字孪生的应用示例。
制造业：
数字孪生最初是为了在制造业中应用而诞生的，因此制造业也是目前数字孪生应用的主战场。数字孪生技术贯穿了从制造到服务和运营的整个产品生命周期（Product Lifecycle Management）中。
在制造阶段，通过数字化手段构建起来的虚拟生产线，将产品本身的数字孪生同生产设备、生产过程等其他形态的数字孪生高度集成起来，实现如下的功能：
-生产过程仿真：在产品生产之前，就可以通过虚拟生产的方式来模拟在不同产品、不同参数、不同外部条件下的生产过程，实现对产能、效率以及可能出现的生产瓶颈等问题的提前预判，加速新产品导入的过程;
-数字化产线：将生产阶段的各种要素，如原材料、设备、工艺配方和工序要求，通过数字化的手段集成在一个紧密协作的生产过程中，并根据既定的规则，自动的完成在不同条件组合下的操作，实现自动化的生产过程；同时记录生产过程中的各类数据，为后续的分析和优化提供依据。
-关键指标监控和过程能力评估：通过采集生产线上的各种生产设备的实时运行数据，实现全部生产过程的可视化监控，并且通过经验或者机器学习建立关键设备参数、检验指标的监控策略，对出现违背策略的异常情况进行及时处理和调整，实现稳定并不断优化的生产过程。
图1描绘的就是某一生产流程的物理模型和数字化镜像，数字孪生对工厂环境中实际情况进行准实时虚拟复制。
图1：生产流程数字孪生模型，来源：德勤大学出版社
而在服务阶段，数字孪生可以实现远程监控和预测性维修、优化客户的生产指标、产品使用反馈等功能，改善用户对产品的使用体验，这些功能将随着物联网技术的成熟和传感器成本的下降逐渐投入大规模使用。
在企业应用层面，前面提到过的通用电气就有一个基于数字孪生的系统，该软件系统可以用来管理和分析风力涡轮机，石油钻机或他们生产的飞机发动机上的数据。例如，他们通过这一系统收集伦敦和巴黎之间航班的所有数据。这些数据被传输到数据中心，在此生成每个发动机的实时数字孪生。这样，通用电气便能够在飞行过程中检测出潜在的缺陷或故障。如果发动机的一部分引起故障，负责维护的人员可以在飞机将要着陆的机场准备好更换零件。
图2：通用公司数字孪生应用，来源：GE官网
电力行业：
在电力行业中，数字孪生在发、输、配三个环节都有巨大的应用空间，目前两大电气巨头——通用电气和西门子，都提出了完整的解决方案。
以发电过程为例，在一个数字化的发电厂中，数字孪生将基于物理的方法和高级分析功能结合起来，力图准确地复刻电厂资产的当前状态，并且可以借助这种组合方法预测电厂的老化模式、异常状况和未来行为，评估不同的场景、优化和平衡各种权衡因素，并提高电厂的效率和可靠性。
数字孪生与智能电网的结合也是十分具有潜力的应用场景。智能电网数字孪生利用电力系统物理模型、先进计量基础设施的在线量测数据、电力系统历史运行数据，并集成电气、计算机、通信、气候、经济等多学科知识，进行的多物理量、多时空尺度、多概率的仿真过程，通过在虚拟空间中完成对智能电网的映射，反映智能电网的全生命周期过程。
关于以上两个应用场景，交能网将在后续文章中继续做详细介绍。
智慧城市：
如今，我们的城市布满了各种各样的传感器、摄像头，大量的数据为数字孪生在智慧城市中的应用奠定了强大的基础。借助包括5G在内的物联网技术，这些终端采集的数据可以更快地被提取出来，并加以应用。因此，智慧城市将成为数字孪生体最庞大的应用，即——数字孪生城市。
对于智慧城市来说，数字孪生在建设和管理两个阶段也有不同的应用。
在城市建设阶段，基建工程可以说是数字孪生应用相当重要的领域。在修建高速公路、桥梁等基础设施之前，可以通过数字孪生完成对工程的数字化建模，然后在虚拟的数字空间对工程进行仿真和模拟，评估工程的结构和承受能力，还可以导入流量数据，评估工程是否可以满足投入使用后的需求。在工程交付之后，还可以在维护阶段评估工程是否可以承担特殊情况的压力。以及监测可能出现的事故隐患。
在建筑工程方面也是同理。对于业内人士来说，BIM（Building Information Modelling，建筑信息建模）是大家十分熟悉的概念，而数字孪生则是在BIM基础上的一种逻辑延伸，更加关注人们与环境如何进行交互。英国政府就十分重视数字孪生在建筑业的应用，因此出资建设英国数字建筑中心，通过“国家数字孪生计划”，支持使用数字技术来更好的设计和建造建筑，并更好的改造、维护、集成和使用建设环境。
在城市管理阶段，通过建设数字孪生城市，将基础设施（水、电、气、交通等）的运行状态，市政资源（警力、医疗、消防等）的调配情况，通过传感器、摄像头、数字化子系统采集出来，并通过包括5G在内的物联网技术传递到云端。在收集数据后，以交互平台的形式应用这个庞大的数字孪生，以捕获和显示实时3D和4D空间数据，以便对城市环境及建筑内部的数据传输进行建模。城市的管理者，基于这些数据，以及城市模型，更高效地管理城市。
目前，许多海外城市已经在摸索数字孪生城市的应用。新加坡的“虚拟新加坡”计划、澳大利亚新南威尔士州的Digital Twin、以及德国黑伦贝格Urban Digtial Twin都是“智慧城市+数字孪生”的践行。下图就是新南威尔士州彭里斯市智慧城市某建筑的4D模型。
图3：彭里斯市智慧城市4D模型，来源：新南威尔士州政府网站
除了上述领域之外，包括医疗、物流、环保等很多场景都适合采用数字孪生技术，应用场景非常广阔。在未来的系列文章中，交能网将详细介绍数字孪生在电力以及智慧城市领域的实践案例，敬请关注。
参考文献：
1.Grieves,M.,Virtually Intelligent Product Systems:Digital and Physical Twins,inComplex Systems Engineering:Theory and Practice,S.Flumerfelt,et al.,Editors.2019,American Institute of Aeronautics and Astronautics.p.175-200.
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