数字孪生|解读之三：数字孪生能做什么？

数字孪生已引起各行各业的重视，其中最受关注的行业是制造、城市管理、电力、医疗，用于支持智能制造、智慧城市、新型电力系统和精准医疗。在此介绍这四个行业的数字孪生应用。

数字孪生支撑智慧城市

在城市数字孪生建设方面，新加坡走在前列。新加坡政府耗资7300万新元，创建了整座城市的实时数字孪生，政府人员可以在政策真正实施之前，在数字孪生上进行虚拟实验，并测试各种场景。新加坡城市数字孪生有如下特点：

（1）联合协作。利益相关者都能够访问数字孪生。拥有权限安全、命名规范、数据标准和访问许可的单一可信来源。

（2）数据准确和唯一性。随着资产的构建、维护或更换，每个细节都必须更新，通过嵌入在基础设施中的传感器，数字孪生可以随时保持数据更新，保证数据准确和唯一性。

（3）具有模拟和预测功能。可模拟物理资产所面临的场景，包括经济、效率和环境影响。增强现实、三维可视化和现实建模等沉浸式体验，为用户提供了可操作的见解。

此外，英国在BIM基础上建立一个公共基础设施的国家数字孪生模型；意大利热那亚市莫兰迪桥倒塌后，创建了数字孪生模型，使用Bentley的开放式建模和模拟应用程序。欧盟也在建设城市数字孪生，用于能源和CO2模拟，污染和交通的实时监测，城市规划和运营，资产管理等，带来更高的运营效率、更好的危机管理、更明智的决策、更具参与性的治理，让城市更具流动性和宜居性。

数字孪生支撑智能制造

应用数字孪生技术，对制造中涉及的产品、现场、过程和人，进行实时模拟并实现协同管理。对于产品，需关注其全生命周期，从设计到投运、在用户环境中的运行维护，直到报废；对于现场，需建立工厂、车间的虚拟现场-模拟复杂的制造和运行环境；过程是指整个的制造和运行过程；对于人而言，不仅要模拟人的行为，还需要把工作信息发送给工作人员，或将工作人员的信息传送过来，改善效率和质量。

图1 数字孪生支撑智能制造

特斯拉在电动汽车制造中应用了数字孪生技术。特斯拉拥有其制造的每辆汽车的数字孪生，用于在汽车和工厂之间不断交换数据。特斯拉通过这些数字孪生，不断调整和测试产品性能。在自动驾驶方面，特斯拉创建驾驶员及其行为、汽车及其行为方式、道路上的其他汽车和道路本身的数字孪生。通过捕获大量数据和深入分析这些数据，有助于解释自动驾驶中人、车的复杂行为，实现车辆的自动驾驶。

数字孪生支撑精准医疗

在现代医疗中，诊断方案往往依赖于对少数病例的试验结果，未必适合每个个体。应用数字孪生技术，可以通过监测、处理和整合来自医用可穿戴设备、模型数据组、医疗影像和电子病历等大量数据生成个体的数字孪生。用数千种药物对这些数字孪生体进行计算治疗，以确定性能最好的药物。

基于数字孪生的精准医疗的原则是：“可以在计算机模型上犯错误而不是在人身上”。

数字孪生支撑新一代电力系统

图1 数字孪生应用于新一代电力系统的典型场景

数字孪生在电力系统有很好的应用前景，应用场景很多，几乎可覆盖电力系统的各个环节、各个技术领域。

发电环节，数字孪生可应用于短期新能源发电功率预测，风机、光伏系统故障诊断、抽水蓄能机组故障检测和识别。

在输配电系统，借助数字孪生，可实现输电网和配电网的实时在线仿真，实现仿真的保真性。

针对输变电设备，应用数字孪生，可进行电缆健康评估、变电站/变压器运维。

电池储能的应用越来越广泛，在电池储能运行中，需了解电池的SoH和SoC情况，建立数字孪生可对SoH和SoC进行实时精准评估，不仅可应用于电网用储能，也可应用于电动汽车储能。

在用户侧，通过建立综合能源系统数字孪生、供电系统的数字孪生，提高能源管理水平。

在调控环节，应用数字孪生，可以建立毫秒级变化的电力系统数字孪生，实时在线实时仿真，建立源网荷储数字孪生，支持源网荷储协同管理。

小结：

目前数字孪生的热点应用行业是智慧城市、智能制造、精准医疗和新一代电力系统，已有较多成功应用案例。数字孪生在行业的应用价值，主要体现在支持高效科学的诊断、预测和决策，提高过程和人的效率，提高各方协同性方面。数字孪生仍在快速发展中，未来在各行各业都有广泛的应用前景。

图文：中国电力科学研究院人工智能应用研究所 张东霞