数字孪生高效节能减排

文章来源《元宇宙与碳中和》

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一、何为数字孪生

数字孪生这一概念起源于航天、工业领域，由“孪生体”向“数字孪生体”发展。

“建立一个孪生体，用于管控实体的运行状态”这一理念最早起源于美国“阿波罗”计划，工程师们在地球上建立了与发射到太空上的飞行器一模一样的航天飞行器，用于反映其工作状态并帮助工作人员进行操控演示。

随后，Michael Grieves教授在美国密歇根大学的管理课程上提出可以建立虚拟孪生体来管控产品全生命周期，将该设想称为PLM的概念性设想（Conceptual Ideal for PLM）。

2012年，美国国家航空航天局（NASA）正式提出了数字孪生概念，并将其定义为充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟信息空间中对物理实体进行镜像映射，反映物理实体行为、状态或活动的全生命周期过程的技术。

NASA提出数字孪生概念后，被多家企业、研究机构广泛使用，并在使用范围、概念内涵上逐步拓展。

数字孪生不仅局限在基于物联网的动态模型软件，而是涵盖更多技术体系、延伸到更多更复杂领域。

数字孪生的本质仍是建立与现实体一一映射，反映现实体状态的数字孪生体。

数字孪生（Digital Twin）技术综合利用感知、计算、建模等信息技术，建立与现实世界实时映射、虚实交互的虚拟世界。

数字孪生需要具有五维结构：物理实体（Physical Entity）、虚拟实体（Virtual Entity）、服务（Services）、孪生数据（DT Data）和连接（Connection）。

·物理实体：物理实体是数字孪生的基础，通过在物理实体上部署传感器等基础设施，监测其环境数据和运行状态。

·虚拟实体：物理实体的虚拟化数字镜像，通过几何、物理、行为、规则等多种模型相互加成以表现物理实体实时状态及变化。

·服务：集成各类信息系统，为物理实体和虚拟模型提供智能计算、运行和管控服务。

·孪生数据：是建立虚拟孪生体的核心，包括以上三维度所有信息数据，并随着物理实体的运行实时更新，推动整体数字孪生体系运转，也是数字孪生系统的核心驱动。

·连接：将各维度之间彼此连接，进行有效的实时数据传输，实现一一映射。

在数字孪生技术的不断演化过程中，如今已初步成为企业数字化建设的技术能力基础。

而随着信息技术发展，数字孪生逐渐被应用于制造业、交通、医疗等多个领域。

物联网、大数据等前沿技术的发展打破了数据孤岛，把物理世界的数据快速传递到数字孪生世界，帮助数字世界快速优化、意见反馈。

数字孪生成为数字化浪潮的必然结果和数字化的必经之路。

数字孪生强调通过管理与现实世界一一映射、实时交互的虚拟世界来实现现实世界的高效运行。

越复杂的系统越适合使用数字孪生技术进行管理，人们可通过虚拟孪生体快速高效反映物理实体实时状态，监测其运行情况，精准管控，节省成本；

同时可以通过虚拟孪生体进行决策预演，模拟规划等，帮助决策顺利执行。

“数字孪生”概念的发展历程

二、数字孪生主要应用方向

（一）数字孪生城市

根据中国信通院的定义，数字孪生城市是数字孪生技术在城市层面的广泛应用，通过构建与城市物理世界、网络虚拟空间的一一对应、相互映射、协同交互的复杂巨系统，在网络空间再造一个与之匹配、对应的孪生城市，实现城市全要素数字化和虚拟化、城市全状态实时化和可视化、城市管理决策协同化和智能化。

数字孪生城市可以广泛理解为通过对物理世界的人、物、事等所有要素数字化，在网络空间再造一个与之对应的“虚拟世界”，形成物理维度的实体世界和信息维度上的数字世界同生共存、虚实交融的格局。

数字孪生城市

我国数字孪生城市兴起于2017年，由中国信通院在基于智慧城市研究基础上提出。

2017～2018年，对于其概念和理解逐渐丰富。

同时，对于城市而言，数字孪生城市的三大优势分别是能够提升城市规划质量和水平、推动以人为核心的城市设计和建设协同创新、优化并评估智慧城市建设成效。

2018年，中共河北省委、河北省人民政府发布《河北雄安新区规划纲要》，提出设立与现实城市同步规划建设、具有深度学习能力的数字城市，成为率先将数字孪生理念应用于城市建设的规划项目。

2019年，随着数字孪生城市的热度不断上升，百度、腾讯、阿里巴巴、京东、华为等多家互联网、通信巨头陆续加入，提出数字孪生城市架构，构建生态体系。

另一方面资本入场，多支“数字孪生”概念股大涨，多家专注数字孪生城市的企业获得大额融资。

在技术架构逐渐丰富明确之下，陆续有省市提出建设数字孪生城市的行动规划，以南京江北新区为例，在《南京江北新区智慧城市2025规划》中明确提出数字孪生城市建设方案。

2020～2023年，包含北京市、上海市、海南省、浙江省、广州市等全国有16个省/市明确提出数字孪生城市建设相关政策或行动方案，中国数字孪生城市正式进入建设期。

目前大多数的数字孪生城市都在基础建设期，我们推测该阶段将从2020年持续到2023年，基础建设将从基础终端、通信网络建设、三维建模和可视化渲染等技术层面全面着手开展。

在此，我们列举几个数字孪生城市的典型应用场景，以便读者更好地消化吸收该新兴概念。

第一，城市综合治理：2021年端午假期，上海南京路步行街游人如织。

南京东路河南中路路口，一幢现代主义风格的历史建筑里，一位游客被窗外繁华景象吸引，打开窗户将手机探出窗外拍照，安装在窗户上的传感器第一时间监测到开窗行为，店内保安佩戴的智能手环立即接到系统自动报警，马上赶往现场处置，系统随后显示窗户关闭。

如此迅速的反应，背后是一整套的数字孪生系统在做支撑，实时监测大楼的生命体征。

第二，城市规划建设：作为粤港澳大湾区核心引擎，深圳前海自贸区新一轮整体规划面积74平方公里，地下空间开发约八百万平方米。

深圳前海自贸区使用建筑信息模型（BIM）平台，实现从地面—地上—地下的多维表述，建设城市全信息数字化沙盘，动态规划城市开发和更新的实际情况。

第一次实现了城市集群地上、地下同步开发的协同创新模式，解决了开发建设所面对的体量大、标准高、交叉多、时间紧等诸多难题，获得了2017年全球基础设施Be创新大赛冠军，被收录在Bentley的《纵览基础设施建设》杂志中，作为典型案例发送给全球15万家以上的主流媒体、政府部门和企业。

第三，城市交通管理：西安交警互联网＋大数据平台是将数字孪生城市与城市内交通管理业务相结合的典型应用案例。

该平台融合普通电子地图、高精度道路地图、三维模型地图、多源交通信息融合、天气、122警情、视频、微信各类基础数据，所有数据源都通过平台的DataHive数据蜂巢具备的数据集成融合能力进行汇聚、清洗、分类、处理和分发。

在交警管理的各个业务领域，通过平台提供的MineMap将所有数据以直观形象的形式在可视化大屏上集中体现，以数字孪生的城市基础空间数据为数字基座，在一个大屏上发布和展示各个业务端的应用成果和信息反馈，实现交警业务管理的情报获取、指挥调度、勤务管理、监督考核、宣传引导五大环节的实际运用。

（二）智能制造

毫无疑问，数字孪生已成为智能制造最为关键和基础性的技术之一。

数字孪生将数据和模型作为驱动，打通业务和管理层面的数据流，实时连接、映射、分析、反馈物理世界行为，使工业全要素、全产业链、全价值链达到最大限度闭环优化，加快制造工艺的数字化、生产系统的模型化、服务能力的生态化进程。

具体到工业制造的各个环节，在产品上，数字孪生覆盖研发、工艺规划、制造、测试、运维等周期；

在工厂端，数字孪生在设计、建造、生产线调试、运行监控、安全诸多方面为企业降本增效；

在供应链端，数字孪生技术可以应用在车间物流调度、运输路径优化等方面。

同样，我们在此向读者列举一些数字孪生技术赋能智能制造的一些典型应用。

一是设备实时监控：工业设备生产过程中，利用数字孪生技术可以实现状态感知监控，监控设备生产运行信息、监控信息、维护信息以及管理信息。

二是设备故障诊断：根据监控信息，工厂可以可视化设备生产工艺过程，并且可以针对故障报警进行器件定位，提供故障及维修案例库。

三是设备工艺培训：工厂可以凭借数字孪生技术所提供的可视化工业设备3D智能培训和维修知识库，以3D动画的形式培训员工，大幅缩短人才培养时间。

四是工厂实时状态监控：通过工厂的数字孪生体，可以对正在运行的工厂进行可视化管理，包括实时设备状态能够详细到当前加工的订单信息，设备、产线的设备综合利用效能（OEE）、设备产量质量与能耗情况等实时信息。对于出现故障的设备，可以显示出具体的故障类型。当前在国内，中国烟草、海尔、美的等企业在利用数字孪生技术监控工厂实时状态方面均卓有成效。

（三）数字孪生网络

5G网络出现之前，数字孪生技术平稳发展，进展较慢，5G时代的来临将数字孪生技术发展推上快车道。

毫无疑问，数字孪生的实现必须要依赖通信技术的高效支撑，且数字孪生与网络发展势必相辅相成。

当前我国的数字孪生网络发展还处于探索阶段。

据全球移动通信系统协会（GSMA）相关专家表示，5G物联网时代的数字孪生将大幅提升各行业数字化进程，随着5G时代到来，网络数字孪生应运而生。

截至目前，5G网络的可用性还相当有限，想要实时访问5G网络仍存在一定的困难，并且成本相当高。

各个行业也均在探索5G＋产业的商业应用场景价值潜力。

数字孪生网络的优势之一在于可以提供一个灵活、低成本、高效率的研究场地。

另一方面，在网络安全的重要性日益提高的今天，基于数字孪生的智慧网络即为一个具有代表性的沙盘，可以利用其进行前瞻性的潜在风险研究。

简单来说，数字孪生网络是一种仿真出来的物理网络端对端的软件复本，可以连续地实现对于物理网络端的评估、预测和建议，以高效、前瞻的方式为实际运行的网络进行必要的预防和保障。

在数字孪生网络的应用上，展会、赛事是较为典型的应用场景。

展会、赛事期间，场馆中人流量巨大，对网络的稳定性、5G信号覆盖强度、针对紧急状况的保障等要求均比较高。

数字孪生网络可以通过规划、分析、预测、监控等措施，对网络提前进行建设规划，当突发事件发生时，可以有条不紊地指导各方处理。

三、数字孪生将赋能碳减排

我国“3060”目标将系统引导产业的绿色低碳发展，不仅可以带来自然环境质量的提升，另一方面还将促进我国经济能源结构、产业结构的转型升级，有利于推进生态文明建设和生态环境保护，持续改善生态环境质量，并且对于加快构建以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局，推动高质量发展具有重要的促进作用。

能源数字经济是降碳减排的重要途径。

我们已进入数字经济时代，数字孪生技术可以赋能能源从生产到管理的全链条进程，显著削减了人类经济活动碳排放的强度和排放总量。

可以利用数字孪生技术，辅以精细化物理模型、传感器数据、运维历史等资料，可以在虚拟空间中完成对能源数字系统的仿真化过程；

数字孪生实例能够与对应的设备保持全生命周期的同步，实时反映设备的更新与动态演化。

数字孪生在能源数字化系统中的架构分为五部分：物理层、数据层、机理层、表现层和交互层。

物理层中包含智能资产、边缘系统和IoT，采集到的数据由数据软件汇总并传输到数据层。

数据层从而执行预处理、数据安全监测并传输。

机理层从数据层收到历史数据和实时数据后，输入智慧能源系统仿真模型，对数据进行整合计算。

机理层的模型一般采取“仿真模型＋数据驱动”的混合建模技术，采用基于模型的系统工程建模方法学，以“数据链”为主线，结合人工智能对模型进行迭代优化，实现对现实环境的虚拟映射。

表现层则融合了AR/VR/MR技术，根据从机理层获取的结果，进行现实、虚拟展示，给用户提供“沉浸式体验”。

交互层作为用户与智能设备间的通道，包括交互接口、应用软件、交互操作，实现用户与模型间的深度交互体验。

整体来看，数字孪生对能源系统进行数字化建模，贯穿了智慧能源系统全生命周期过程，通过服务和模式创新，显著提升智慧能源生态系统的工作效率，降低能源产销成本，实现智慧能源系统规划、运行和控制方面的降本增效。

最终达到能源系统和数字孪生体之间的信息共享、共同进化的孪生共智状态。

建设低碳城市，城市中的不同部门、管理者、规划者、设计师和使用者，各种不同的角色均需要新技术和工具来辅助应对城市中一系列复杂的可能性。

显而易见的是，相比各部门的分散与不同步，将各个方面的行动和决策结合起来，能更大地发挥城市在碳减排方面的潜力。

当前我国建设低碳城市的内在痛点集中在以下几个方面：

管理系统数量多且不统一，造成信息孤岛；

信息、数据收集呈现不全面直观状态；

收集来的数据不具备空间属性，无法追溯到碳足迹；

仿真预测能力缺乏，无法基于数据追溯历史、预测未来。

数字孪生技术，其结合了多项现代科技与工具的发展，如传感器技术、建模技术、可视化技术，可以理清建设低碳城市进程中不同影响因素之间复杂关系，指明降低能源消耗和碳减排的可选路径，并对比各项措施对不同城市所产生的个性影响。

传感器技术为低碳城市建设提供了实时的、精细的设施管理和过程数据。

经过多年的发展，传感器技术在近年来已经进入了一个全新的阶段，具备了集成化、智能化、微小型化和无线网络化等特点。

在低碳城市的建设过程中根据需求，可以将传感器安装在如锅炉、电梯、暖通空调机组等不同设备单元上，为管理者提供尽可能详细的设备信息、设备能耗数据、设备实时状态数据等。

动态建模技术的应用可以使低碳城市创建过程中的数字模型和过程模拟更加真实准确，贴合实际情况。

数字孪生模型是数字孪生城市的核心元素。

使用基于CAD等平台开发的高级建模工具，可以将城市中建筑信息、能源信息、基础设施数据等物理世界的元素、行为、过程如实的在数字平台上反映出来。

城市管理者可以根据所形成的基于现实的数字孪生模型，分析低碳城市多个场景下有可能出现的情况，帮助城市改进设计和优化配置。

可视化技术在低碳城市建设中的使用则大大地扩大了参与建设者的广度，上文我们所提及的建模与模拟分析，其结果在大部分情况下仍是以数据的形式来体现，相关人员如果想要理解，必须具备相关专业知识的积累。

因此，可视化技术将模拟的数据结果再以2D、3D的可视化技术展示出来会显著降低数据理解难度，增强工作人员的了解意愿，突破工作人员的技术水平限制，为不同层级、专业的用户了解新的政策或系统的影响和潜力提供了有效路径，从而提升相关人员的参与度、参与意愿和参与范围。

让我们放开想象，对于城市管理者而言，未来在数字孪生技术的赋能之下，可以在城市数字孪生指挥大屏中“一张图”式的总览城市碳足迹情况，并可以执行城市级别的能耗仿真，进行快速决策，通过城市日照光线仿真，实时掌握城市光伏能源数据，从而实现高效的能源结构调整。

同时，在城市新建、扩建和改建时，也可以以低碳为建设取向，要求新建、改建严格避免高碳锁定，数字孪生可以模拟城市建成后的运行状态，为城市碳中和提供零碳能源保障。