在科技發達的當下，數字化成為了諸多行業領域正在進行的變革轉型。世界各地相繼采取措施，將數字化技術運用到能源生產、輸送、交易、消費及監管等各個重要環節。相對于能源企業而言，數字化轉型既是機遇，也是挑戰。
最近幾年，數字孿生這個概念引發了大家愈來愈多的關注，從初期在學術界引進這個概念，到現在諸多數字化領先企業都在制定數字孿生解決方案，數字孿生無疑是成為數字化轉型的核心技術手段。本篇文章將帶大家一起探尋——數字孿生在制造業、電力以及智慧城市三大領域是怎樣發揮作用的？
一、數字孿生的起源和定義
有關于數字孿生的想法最開始是由佛羅里達理工學院的MichaelGrieves教授在2002年的制造工程師學會會議上公開引進的，他覺得通過物理設備的數據，可以在虛擬（信息）空間創建一個可以表征該物理設備的虛擬實體和子系統，并且這種聯系不是單向和靜態的，而是在整個產品的生命周期中都聯系在一起。Shafto和Vickers等人于十幾年前在美國NASA的路線圖中明確定義了數字孿生這個名詞并將其運用在航空領域。
然后，科學研究中提出了許多關于數字孿生的在不同應用領域的具體定義，雖然其通用定義由于不同場景下需求不同而難以有一個統一的標準，但所有的定義都在強調兩個核心特征：
1.數字孿生是有生命或無生命的物理實體的數字副本；
2.通過橋接物理和虛擬世界，數據可以無縫傳輸，進而允許虛擬實體與物理實體同時存在。
在學術界對數字孿生進行探究的期間，諸多著眼于數字化轉型的企業也發現了數字孿生的價值。一直著眼于探究工業數字化的美國通用電氣公司在為美國國防部提供F-35聯合攻擊機解決方案的時候便開始注重數字孿生。德國工業4.0的代表企業西門子公司也強調數字孿生在工業數字化中的核心作用，并將其運用到各業務領域內。從那之后，數字孿生這個概念，就逐漸風靡業界，直至今日。
二、數字孿生在各領域的運用
數字孿生作為數字化的基礎技術可以滲入到諸多行業之中，在這我們以制造行業和能源行業為例子介紹數字孿生的運用示例。
1、制造業：
數字孿生最開始是為了在制造業中運用而誕生的，故此制造業也是如今數字孿生運用的主戰場。數字孿生技術貫穿了從制造到服務和運營的整個產品生命周期中。在制造階段，通過數字化手段創建起來的虛擬生產線，將產品本身的數字孿生同生產設備、生產過程等其他形態的數字孿生高度集成起來，實現如下的功能：
1）生產過程仿真：在產品生產制造之前，就可以通過虛擬生產制造的方式來仿真模擬在不同產品、不同參數、不同外部條件下的生產過程，實現對產能、效率以及可能出現的生產制造瓶頸等問題的提前預判，加速新產品導入的過程;
2）數字化產線：將生產制造階段的各類要素，如原材料、設備、工藝配方和工序要求，通過數字化的手段集成在一個緊密協作的生產過程中，并按照既定的規則，自動的完成在不同條件組合下的操作，實現自動化的生產過程；同時記錄生產過程中的各類數據，為后續的深入分析和優化提供依據。
3）關鍵指標值監管和過程能力評估：通過收集生產線上的各類生產設備的實時運行數據，實現全部生產過程的可視化監管，并且通過經驗或者機器學習創建關鍵設備參數、檢驗指標值的監管策略，對出現違背策略的異常現象進行及時處理和調整，實現穩定并不斷優化的生產過程。
如下圖所示描繪的便是某一生產流程的物理模型和數字化鏡像，數字孿生對工廠環境中實際情況進行準實時虛擬復制。
而在服務階段，數字孿生可以實現遠程監控和預測性維修、優化客戶的生產指標、產品使用反饋等功能，改善用戶對產品的使用體驗，這些功能將伴隨著物聯網技術的完善和傳感器成本的降低逐步投入大規模使用。
在企業應用層面，前文提到過的通用電氣就有一個基于數字孿生的系統，該軟件系統可以用于管理和分析風力渦輪機，石油鉆機或它們產生的飛機發動機上的數據。比如說，它們通過這個系統收集倫敦和巴黎之間航班的所有數據。這些數據被傳輸到數據中心，在這里生成每一個發動機的實時數字孿生。這樣，通用電氣便可以在飛行全過程中檢測出潛在性的缺陷或故障。如果發動機的一部分引起故障，負責維護的工作人員可以在飛機將要降落的機場準備好替換零件。
2、電力行業：
在電力行業中，數字孿生在發、輸、配三個環節都有極大的運用空間，當前兩大電氣巨頭——通用電氣和西門子，都提出了完整的解決方案。以發電全過程為例，在一個數字化的發電廠中，數字孿生將基于物理的方法和高級分析功能結合起來，力爭精確地復刻電廠資產的當前狀態，并且可以借助這種組合方法預測電廠的老化模式、異常情況和未來行為，評估不同的場景、優化和平衡各種權衡因素，并提高電廠的效率和可靠性。
數字孿生與智能電網的結合也是十分具備潛力的應用場景。智能電網數字孿生利用電力系統物理模型、先進計量基礎設施的在線量測數據、電力系統歷史運行數據，并集成電氣、計算機、通信、氣候、經濟等多學科知識，進行的多物理量、多時空尺度、多概率的仿真全過程，通過在虛擬空間中完成對智能電網的映射，反映智能電網的生命周期全過程。
3、智慧城市：
現如今，我們的城市鋪滿了各式各樣的傳感器、攝像頭，大量的數據為數字孿生在智慧城市中的運用打下了強大的基礎。借助包括5G在內的物聯網技術，這些終端采集的數據可以更快地被提取出來，并加以運用。因此，智慧城市將成為數字孿生體最龐大的運用，即——數字孿生城市。
對于智慧城市而言，數字孿生在建設和管理兩個階段也會有不同的運用。在城市建設階段，基建工程可以說是數字孿生運用非常重要的領域。在建造高速公路、橋梁等基礎設施之前，可以通過數字孿生完成對工程的數字化建模，之后在虛擬的數字空間對工程進行仿真和模擬，評估工程的結構和承受能力，還可以導入流量數據，評估工程是否可以滿足投入使用后的需求。在工程交付之后，還可以在維護階段評估工程是否可以承擔特殊情況的壓力。及其監測可能會出現的事故隱患。
在建筑工程方面也是同樣。對于業內人士而言，BIM（BuildingInformationModelling，建筑信息建模）是大家非常熟悉的概念，而數字孿生則是在BIM基礎上的一種邏輯延伸，更加注重人們與環境如何進行交互。英國政府就非常重視數字孿生在建筑業的運用，因此出資建設英國數字建筑中心，通過“國家數字孿生計劃”，支持運用數字技術來更好的設計和建造建筑，并更好的改造、維護、集成和運用建設環境。
在城市管理階段，通過建設數字孿生城市，將基礎設施（水、電、氣、交通等）的運行情況，市政資源（警力、醫療、消防等）的調配情況，通過傳感器、攝像頭、數字化子系統采集出來，并通過包括5G在內的物聯網技術傳輸到云端。在采集數據后，以交互平臺的形式運用這個龐大的數字孿生，以捕獲和展示實時3D和4D空間數據，以便于對城市環境及建筑內部的數據傳輸進行建模。城市的管理人員，基于這些數據，及其城市模型，更高效地管理城市。
現如今，許多海外城市已經在摸索數字孿生城市的運用。新加坡的“虛擬新加坡”計劃、澳大利亞新南威爾士州的DigitalTwin、及其德國黑倫貝格UrbanDigtialTwin都是“智慧城市+數字孿生”的踐行。下圖所示便是新南威爾士州彭里斯市智慧城市某建筑的4D模型。
