數字孿生是跨越其生命周期的對象或系統的虛擬表示，從實(shí)時(shí)數據更新，到使用仿真、機器學(xué)習和推理來(lái)幫助決策。
一、數字孿生技術(shù)的歷史
1991年，耶魯大學(xué)計算機科學(xué)教授DavidGelernter首次提出了數字孿生的概念。然而，密歇根大學(xué)MichaelGrieves博士被認為是2002年首次將數字孿生概念應用于制造業(yè)，并正式宣布了數字孿生的軟件概念。最終，美國國家航空航天局的技術(shù)專(zhuān)家JohnVickers在2010年引入了數字孿生這個(gè)術(shù)語(yǔ)。
二、數字孿生技術(shù)的工作原理
數字孿生是一種虛擬模型，旨在準確反映物理對象。研究對象（例如風(fēng)力渦輪機）配備了與重要功能領(lǐng)域相關(guān)的各種傳感器。這些傳感器產(chǎn)生有關(guān)物理對象性能不同方面的數據（例如能量輸出、溫度、天氣條件等），然后將該數據轉發(fā)到處理系統并應用于數字副本。
一旦獲得此類(lèi)數據，虛擬模型可用于運行模擬、研究性能問(wèn)題并帶來(lái)可能的改進(jìn)，所有這些都是為了產(chǎn)生有價(jià)值的見(jiàn)解，然后可以將其應用回原始物理對象。
三、數字孿生技術(shù)的類(lèi)型
根據產(chǎn)品放大倍數的不同，有多種類(lèi)型的數字孿生。這對數字孿生最大的區別在于應用領(lǐng)域。不同類(lèi)型的數字孿生在系統或流程中共存是很常見(jiàn)的。以下通過(guò)數字孿生的類(lèi)型來(lái)了解差異以及它們的應用方式。
1、組件孿生/零件孿生
組件孿生是數字孿生的基本單元，是功能組件的最小示例。零件孿生也大致相同，但屬于不太重要的組件。
2、資產(chǎn)孿生
當兩個(gè)或多個(gè)組件一起工作時(shí)，它們就形成了所謂的資產(chǎn)。資產(chǎn)孿生讓企業(yè)可以研究這些組件的交互，創(chuàng )建大量可以處理的性能數據，然后轉化為可操作的步驟。
3、系統孿生或單元孿生
下一級別的放大將涉及系統孿生或單元孿生，這使人們能夠看到不同的資產(chǎn)如何組合在一起形成一個(gè)完整的功能系統。系統孿生提供有關(guān)資產(chǎn)交互的可見(jiàn)性，并可能建議性能增強。
4、過(guò)程孿生
過(guò)程孿生（放大的宏觀(guān)層面）揭示了系統如何協(xié)同工作以創(chuàng )建整個(gè)生產(chǎn)設施。這些系統是否都同步以最高效率運行，或者一個(gè)系統的延遲會(huì )影響其他系統？流程孿生可以幫助確定最終影響整體效率的精確時(shí)序方案。
四、數字孿生技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
1、更好地研發(fā)
使用數字孿生可以更有效地研究和設計產(chǎn)品，并創(chuàng )建大量關(guān)于性能結果的數據。這些信息可以幫助企業(yè)在開(kāi)始生產(chǎn)前對產(chǎn)品進(jìn)行必要的改進(jìn)。
2、更高的效率
即使在新產(chǎn)品投入生產(chǎn)之后，數字孿生也可以幫助鏡像和監控生產(chǎn)系統，著(zhù)眼于在整個(gè)制造過(guò)程中實(shí)現和保持最高效率。
3、處理工作壽命結束的產(chǎn)品
數字孿生甚至可以幫助制造商決定如何處理工作壽命結束的產(chǎn)品，并需要通過(guò)回收或其他措施進(jìn)行最終處理。通過(guò)使用數字孿生，他們可以確定能夠回收哪些材料。
五、數字孿生技術(shù)的應用
數字孿生技術(shù)已廣泛用在以下應用場(chǎng)合中：
1、智慧實(shí)驗室
數字孿生技術(shù)的迅猛發(fā)展，為當代智能化實(shí)驗室建設提供了堅實(shí)的技術(shù)支撐。通過(guò)數字孿生結合物聯(lián)網(wǎng)及大數據技術(shù)，建設智慧實(shí)驗室環(huán)境設施管理平臺，集成實(shí)驗室子系統通過(guò)可視化技術(shù)呈現各專(zhuān)業(yè)狀態(tài)及數據，其對建筑的節能降耗、安全性能和系統運行有效性的提高以及可視化展示等方面具有積極的意義。
2、發(fā)電設備
大型發(fā)動(dòng)機（包括噴氣發(fā)動(dòng)機、機車(chē)發(fā)動(dòng)機和發(fā)電渦輪機）從數字孿生的使用中受益匪淺，特別是在幫助建立定期維護的時(shí)間表方面。
3、物理結構及其系統
大型建筑物或海上鉆井平臺等大型物理結構可以通過(guò)數字孿生進(jìn)行改進(jìn)，尤其是在設計過(guò)程中。也可用于設計在這些結構內運行的系統，例如HVAC系統。
4、制造業(yè)務(wù)
由于數字孿生旨在反映產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，因此數字孿生在制造的各個(gè)階段無(wú)處不在，指導產(chǎn)品從設計到成品以及其間的所有步驟也就不足為奇了。
5、醫療保健服務(wù)
正如可以通過(guò)使用數字孿生對產(chǎn)品進(jìn)行分析一樣，接受醫療保健服務(wù)的患者也可以采用數字孿生。相同類(lèi)型的傳感器生成數據系統可用于跟蹤各種健康指標并生成關(guān)鍵見(jiàn)解。
6、汽車(chē)行業(yè)
汽車(chē)是許多類(lèi)型的復雜、協(xié)同工作的系統，數字孿生廣泛應用于汽車(chē)設計中，既可以提高汽車(chē)性能，也可以提高生產(chǎn)效率。
7、城市規劃
土木工程師和其他參與城市規劃活動(dòng)的人員可以通過(guò)使用數字孿生得到了極大的幫助，數字孿生可以實(shí)時(shí)顯示3D和4D空間數據，還可以將增強現實(shí)系統納入建筑環(huán)境。
|
