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数字孪生相关技术浅析

日期: 2022-11-21
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市场和发展前景





数字孪生是综合技术的汇集,它运用感知、计算、建模等技术进而实现物理空间与赛博空间的交互映射。说得太过于抽象,事实上没有人能够真正讲清楚到底什么是数字孪生,个人理解,数字孪生就是利用现代化科学技术,桥接现实世界和虚拟场景,推动城市发展和生活进步的一种技术。


数字孪生相关技术浅析


数字孪生发展迅速,市场巨大,根据Grand View Research发布的数据,2021年,全球数字孪生市场规模为74.8亿美元,预计从2022年到2030年,年复合增长率将达到39.1%;另根据国外调研机构MarketsandMarkets的预测数据显示,到2023年数字孪生市场规模将达到157亿美元,到2025年将突破260亿美元。从这两份研究数据可以看出,数字孪生市场很大,而我国又是世界上工业门类最为齐全的国家,本身就有丰富的制造业应用场景和市场,数字孪生技术几乎可以延伸到市场中的每一个场景,毫无疑问越早布局数字孪生领域越能抢占这一块大蛋糕,在日常竞争日益激烈的今天,数字孪生领域或许是一个实现快速弯道超车的好机会。


数字孪生相关技术浅析







数字孪生技术架构中各层技术简单介绍






(1)感知

为了实时感知物理实体及其运行环境,需要传感技术、监测技术的支撑。例如,为了建立面向风电、光伏出力预测和故障诊断的数字孪生,需要获得电站周边气象数据以及设备温度、声音、振动等数据,为此,需要可获取声振信号、温度、湿度数据的传感设备,当然,也需要来自SCADA系统的电气数据。电力系统的智能电表、SCADA、PMU等也应看作是传感设备,通过智能电表,可以感知用户的用电特性,通过PMU,可以感知到系统受到的扰动。


(2)数据

通过监测和传感获得的数据,需要利用先进的通信技术传输到数据平台或数据库中进行存储、处理和建模。如果数据量大,实时性要求高,需要大容量、高速通信技术,根据需要,也可以采取边缘计算模式存储处理数据。为节省信道和存储空间,需要应用数据压缩技术;为实现多源异构数据的融合、时空数据融合,需要应用数据融合技术;为提高数据处理和建模速度、满足数据孪生的实时性要求,需要采用分布式存储和处理技术、流计算、内存计算等技术。


(3)建模

建模方法包括机理建模方法和数据驱动建模方法。前者根据研究对象的机理特性建立数学公式,并赋予参数,然后应用数值计算方法或解析方法进行计算,一般适合于机理清楚的物理系统;后者是指采用统计学、机器学习方法建立模型,适合于机理不明确或只存在关联关系的研究对象。机理建模时由于存在不可避免的假设和简化,有时会带来不容忽视的误差,这种情况下,如果数据足够,也适合采用数据驱动建模方法。另外,采用数据驱动方法时,为了解决小样本、样本不均衡、弱特征以及不可解释性等问题,将机理建模方法和数据驱动方法相结合,具有一定优势。


(4)可视化

数字孪生需要很直观的可视化效果,三维展示、地理信息系统(GIS)、AR/VR等都是很重要的可视化技术。例如,在地理信息图上,直观展示电网脆弱性分析结果,其中,蓝色区域最为脆弱,一点攻击可影响到10%电网,紫色、橘色和红色区域要造成同样严重后果,需要更多的攻击,见图3;又如,风机的数字孪生,在地理位置上标注了风机的身份信息,点击各个部位,均能更直观地看到各个部位的状况。


(5)应用

数字孪生应用的领域很多,智慧城市、自然资源、精准医疗、智能制造、智慧能源是最重要的应用领域。


小结:

数字孪生是一项综合性技术,数据是基础,模型是核心,平台或软件是载体。所以获取数据的传感技术、监测技术以及数据的传输技术、存储技术、融合技术、处理技术,都是数字孪生的基础性技术;各种建模技术以及支撑建模的平台和软件、三维展示和AR/VR技术也是数字孪生的关键技术。







全球主流的数字孪生解决方案






 微软

微软的研发“Azure 数字孪生”能够创建基于整个环境的数字模型这些模型可能是建筑物、工厂、农场、能源网络、铁路、体育场馆,甚至整个城市。可用于获取洞察力,以推动产品改进、运营优化、成本降低和客户体验突破。Azure 数字孪生可用于设计数字孪生体系结构,该体系结构在更广泛的云解决方案中代表实际 IoT 设备,并连接到 IoT 中心设备孪生以发送和接收实时数据


数字孪生相关技术浅析



▷ 西门子

西门子的生产线和工厂采用数字孪生。开始生产之前,通过所有生产线的仿真人机工程,在虚拟环境中把所有的生产线的排产、生产全部进行验证,然后再把物理生产线架构起来,这种做法可以节省大量物资,同时也可以加速很多实践,然后快速优化。


数字孪生相关技术浅析



 英伟达

英伟达研发的Omniverse平台、数字孪生等技术,并不断迭代Omniverse搭载的专业技术和工具,打开Omniverse和数字孪生的落地场景,同时推动更多非技术人员利用以Omniverse为代表的多项NVIDIA平台和技术,加速提升市场接受度。


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