万物皆可孪生，应用前景广阔！

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来源：数字化企业

作者：黄培博士等

黄培博士

近年来，数字孪生技术受到从学术界、工业界到相关解决方案供应商的广泛关注。数字孪生技术应用的疆界不断拓展，对数字孪生技术的认知不断更新。为了展现数字孪生技术极其丰富的应用场景，e-works收集了多个视频案例，并进行了编译，通过本文集中进行展示和介绍，相信能够给广大读者带来启迪。

数字孪生技术的应用，首先需要对实物对象建立各类数字孪生模型，且数字孪生模型可以先于实物对象产生；然后将物联网和传感器采集的实物对象运行的真实数据传递到数字孪生模型；再采用增强现实和混合现实技术、人工智能技术、工程仿真、工艺仿真或工厂仿真技术，通过对数字孪生模型进行展现、模拟、分析和优化，来实现对实物对象的可视化、故障诊断和故障预测、性能优化、节能降耗、安全运行等。无论何种数字孪生应用，虚实交互是最基本、最核心的特征。如果只有数字模型，只有模拟仿真，而没有虚实交互，就不能称为数字孪生应用。

图源：AT&S

事实上，万物皆可孪生，建立何种数字孪生模型，采用何种分析方法，取决于应用对象和应用需求，应用场景非常丰富。例如：

◉ 病人需要做心脏手术，医院可以建立患者心脏的数字孪生模型，体现出病灶的位置和问题，并利用其他类似患者和该患者的数字孪生模型进行对比和模拟分析，以便确定治疗方案，并与患者交流，同时辅助医生或手术机器人进行手术，类似的医学应用还包括植入人工关节等；

◉ 通过建立桥梁的弹性力学孪生模型，结合传感器采集的数据，来分析桥梁结构是否出现了问题，存在垮塌风险，以便及时维修；还可以通过无人机对桥墩进行拍摄，维护人员远程观测是否有裂纹，取代现场观测；

◉ 通过建立锅炉、风力发电机组的热力学孪生模型，结合传感器采集的数据来进行仿真和优化，提高能效，优化运营参数；

◉ 通过建立化工、冶金、建材等流程行业工厂的数字孪生模型，从时间维度体现工厂的建造过程，并在三维空间展现各种反应装置、阀门、压缩机等设备的仪表和传感器实时数据，对安全事故进行预警，及时处置故障隐患，还可以在虚拟环境进行操作员培训；

◉ 通过建立自动化产线的数字孪生模型，在产线设计阶段进行虚拟调试，大大缩短调试周期。在产线实际投入使用之后，如果出现故障，可以通过虚拟调试其数字孪生产线来进行远程故障诊断，及时解决问题；

◉ 通过对城市电网建立数字孪生模型，可以远程监控各个变电站的设备是否存在故障隐患，以便及时排查，避免事故；

◉ 通过对企业的物流供应链建立数字孪生模型，可以及时洞察供应链风险，确保企业零部件和原材料的及时供应和成品的及时交付；

◉ 通过建立工地、矿山、隧道的施工环境（地理信息、地质信息和设备）数字孪生模型，可以实现智能施工，乃至无人矿山；

◉ 通过对建筑、地下管网和城市道路建立数字孪生，可以实现智慧城市和智慧交通，结合物联网数据，对设备故障预警和维护，避免交通拥堵；

◉ 智能汽车在上市之后，可以通过将汽车采集到的异常数据传递到数字孪生模型进行仿真分析，找到故障或者零部件异常磨损的原因，如果是软件系统故障，可以通过OTA对汽车控制软件进行升级，即可解决问题；如果是零部件设计的问题，则可以修改零部件的设计方案，通过产品召回，解决故障隐患问题。

……

数字孪生技术在制造业有众多的应用场景，贯穿产品的研发、制造、服役，乃至报废回收再利用的全生命周期。其中，复杂装备产品在运行维护阶段的数字孪生应用价值最为明显；而在制造业工厂中，小到一个关键设备的零部件，例如机器人减速机，到装备整机，例如机器人，再到自动化产线，乃至整个车间、整个工厂，数字孪生技术也有诸多应用场景，覆盖不同的时空尺度。

对于复杂的产品，例如飞机，数字孪生技术的应用必不可少。不仅可以建立发动机、机舱、航电系统、机翼、起落架等核心子系统的数字孪生模型，还可以建立在各种工况下的数字孪生模型，例如鸟撞、结冰等。

针对不同的应用场景，数字孪生模型的建模方法包括建立机理模型，以及应用人工智能、多学科仿真与优化、工艺仿真和工厂仿真等技术，常常也会将多种建模技术相结合。在应用不同的工程仿真技术建立数字孪生模型时，需要对三维仿真模型进行采用降阶处理，以便实现近实时仿真；增强现实、混合现实技术的发展对数字孪生模型的呈现和交互提供支撑；云计算平台为数字孪生模型的存储与分析提供了载体；数字仪表、控制系统和传感器数据是数字孪生技术应用的数据源泉；而物联网则为孪生数据的传输提供了通道。

数字孪生技术的应用，根据复杂性的不同有多个进阶，从可视化、模拟分析、性能优化到预测分析，可以由浅入深，逐步推进。

关于制造业的数字孪生应用，李培根院士指出：

不只是几何的，更是物理的。虽然数字孪生模型包含对象的几何信息，但真正体现价值的是其物理信息，如产品的运行状态，物理过程的仿真等。

不只是静态的，更是动态的。产品运行过程是动态的，只有对动态问题更深刻认识并施与相应控制，才是数字孪生真正的价值。

不只是对象的，更是环境的、系统的。数字孪生技术可以仿真人在实际问题中感知不到的某些环境。

不只是针对产品，还应当针对使用者。例如，除了汽车的数字孪生模型，还需建立驾驶者数字孪生模型，以便在困难情况下基于特定的驾驶者行为反应，能使驾车效果进一步微调。

孪生数据不仅产生在设计过程，而且产生在产品全生命周期。孪生数据不仅产生于产品的设计，而且在产品的制造、运行、维护等全生命周期过程中，都不断地产生孪生数据。

一个物理实体需要多个从不同侧面或视角描述的数字孪生模型。例如机床加工时的振动变形情况、热变形情况、刀具与工件相互作用的情况，需要不同的数字孪生模型进行描述。

总之，万物皆可孪生，小到原子，大到整个城市。在数字化转型的大潮中，随着计算能力的迅速提升和成本的迅速下降，随着万物互联的实现，随着移动互联网的广泛应用，随着三维建模与多学科仿真优化技术的蓬勃发展，随着增强现实与混合技术的普及，随着人工智能技术的开源与成熟，数字孪生技术作为集大成者，将会有越来越广阔的应用空间，发展前景广阔！

热电厂锅炉的数字孪生应用

建立的锅炉数字孪生行为模型，通过热电厂锅炉上的2500个传感器实时收集数据，并将数据分析和AI嵌入系统，减少了锅炉的燃烧调节时间，降低了运营成本和维护成本，减少了排放。

风力涡轮机数字孪生案例

Tecnalia开发了一种风力涡轮机的数字孪生系统，可以诊断资产的健康状况；预测故障并估计剩余使用寿命；且可重新设计资产或控制系统，以优化其操作或延长其使用寿命。

数字孪生在钢铁行业的应用

作为数字孪生技术的早期采用者，钢铁有机会引领所有重工业，以提高可持续性和竞争力。这套系统可以为用户提供一种全新的、身临其境的方式来可视化、计划、培训和激励钢铁加工和整个钢铁厂。借助这个数字孪生，用户能够获取实时数据并打破数据孤岛。

西门子和NVIDIA联合，打造工业元宇宙

西门子与NVIDIA的强强联合将拓展数字孪生的应用的边界，使设计、生产和运营效率提升至新的水平，不同地区的团队可以通过远程沉浸在数字孪生模型中讨论并解决问题。

未来智能施工

斗山集团也打造出了自己面向未来施工现场的解决方案——名为Concept-X，与小松制作所的Smart Construction有异曲同工之妙，通过建立工地的数字孪生，为后续的施工计划和协同等做准备。

虚拟新加坡孪生城市案例

通过数字孪生城市「虚拟新加坡」来分析光和温度的变化，以发掘太阳能的潜力；了解「虚拟新加坡」如何整合和显示建筑物的语义信息和地理定位信息。同时，可以直观三维可视化的查看城市建筑的详细信息，如地理坐标，店铺详情，建筑高度等等。