《数字孪生及车间实践》| 数字孪生在各领域中的应用概述

数字孪生+船舶

海事行业已有数百年的历史，涉及海上运输、海洋开发和国防建设，对进出口贸易有很强的推动作用。目前，该行业中的一些公司计划通过先进技术来改善相关业务。因此，数字孪生已引起了广泛关注。

通用电气公司试图与美国海军和国防部的海上运输提供商军用海上运输司令部（MSC）合作，以改善舰船性能和任务准备。为此，GE将为关键船用设备实现高速数据采集，并为该设备建立数字孪生。借助Predix平台，将来自物理设备的实时数据与来自虚拟模型的模拟数据进行比较，检测差异，从而发现性能下降导致潜在的故障。基于这些差异，操作员可以在相关问题发生之前识别并解决相关问题，从而提高设备的可靠性和可用性，并降低维护成本。

DNV GL 开发了一种利用数字孪生技术监测船体状况的方法。该方法可以充分利用设计阶段的计算分析模型，为实体船舶建立“虚拟姊妹船”，结合真实遭遇的波浪环境和位置数据，在营运阶段监测关键结构细节。此外，从海运业不同利益相关者（船舶拥有者、设备制造商、主管部门、大学、海事院校、咨询服务机构）的角度分析了数字孪生带来的价值。

国内奇梦科技秀品牛数字孪生团队打造了船舶动力系统综合运维监控数字孪生平台，如图1所示。平台首先构建船舶整船、各个分系统、设备的三维几何模型，通过采集上百艘包括科研船、客运船、货船、施工船在内的多种类型数据，实现孪生船舶和物理船舶的实时映射。通过对船舶位置、动力系统、电力系统等数据的整合分析，随时了解船上设备的运转情况以及设备故障的快速定位，并调取船舶的历史数据及时为船舶故障提出维修参考建议。

图1 秀品牛船舶动力系统智能运维平台

有了数字孪生，传统的船舶工业将受益于先进的数字技术，未来整个船舶的关键设备和PLM的预测分析将成为其应用重点角度。

数字孪生+医疗

在医疗健康行业，相关公司和组织提供医疗服务、制造医疗设备并开发药品以维持和改善人们的健康状况，是世界上最大的产业之一，与每个人都息息相关。数字孪生可以应用于医疗健康行业以加快其数字化进程。

GE Healthcare Camden Group已将医院的数字孪生变为现实。其通过先进的数据监控和处理技术，实时感知医院基础设施的使用情况，并构建医院的数字孪生体，可以有助于床位安排、人员安排和手术室分配等，从而可以最大程度地为患者提供更好的服务。

达索公司进行了一个“生命心脏项目（LHP）”项目，通过生物传感器技术和扫描技术为人类心脏建立数字孪生。其构建的心脏数字孪生体是具有电和肌肉特性的心脏的个性化全尺寸模型，可以模拟真实心脏的行为。其不仅可以支持贴紧心脏起搏器、反转腔室、切割任何横截面以及运行假设等各种操作，还可以对心脏进行虚拟分析，以便在疾病开始之前为心脏病患者提供护理。

阿姆斯特丹大学的研究人员试图通过数字孪生构建人类的数字克隆，可以准确地模仿人类的呼吸，行走，甚至腿部骨折和疾病发展等行为。如图3.8所示，人体的数字克隆将极大地促进个性化医学的发展，从而将基于对大多数患者的平均最佳治疗效果来改变传统治疗方法，还可以更快更有效地引入新药物，并减少医学研究中对动物的使用。

图2 数字孪生个性化医疗

英国牛津大学、GE、IBM等20所著名高校、研究所、企业等机构的39名学者联合发表在顶级期刊European Society of Cardiology的论文，提出为患者的心脏构建数字孪生，如图3所示，通过机理模型和统计模型之间的协同作用，提高诊断和预后的能力，还可以通过模型分析来准确预测恢复健康的途径，从而为每一位患者提供量身定制的疗法，以加快心血管研究的发展，并推动精密医学的发展。

图3 数字孪生心脏诊疗

在医疗健康行业中，数字孪生在人类健康管理方面具有广阔的前景，因为它可以改善现有的医疗服务和基础设施，一方面可以为患者提供更好的护理，另一方面可以开发出创新的方式来处理疑难病例。

数字孪生+城市

城市是人类居住的区域，人口密度高，基础设施和建筑物完备。为了改善城市环境和人们的生活质量，数字孪生已应用于该领域。2020年7月，数字孪生城市被中国全国科学技术名词审定委员会批准为大数据新词。同年12月，中国信息通信研究院第三次发布数字孪生城市白皮书，白皮书从“政产学研用”多视角系统分析数字孪生城市发展的十大态势及九大核心能力，针对数字孪生城市发展中面临共性问题，提出策略与建议，以期为我国新型智慧城市发展提供有益参考。

雄安新区紧扣新区同步规划建设数字城市的总体理念，综合运用云计算、大数据、区块链、人工智能、智能硬件、AR/VR等新技术，构建全域感知、万物互联、泛在计算、数据驱动、虚实结合的新型智慧城市。其最大的创新，如图4所示，是在建设物理城市的同时，通过万物互联感知，汇集多方数据搭建城市智能模型，形成与新区同生共长的数字孪生城市，使雄安新区成为世界上第一个从城市建设原点就开始构建全数字过程的城市。

此外，中国雄安集团数字城市科技有限公司联合中国联通、中国电科信息科学研究院、韩国ETRI等单位提交的《智慧城市数字孪生系统安全机制》和《智慧社区安全机制》两项智慧城市领域标准，在国际电信联盟ITU-T SG17工作组会议上立项获得通过。

图4 雄安数字孪生城市建设要求

如图5所示，新加坡政府与达索公司（Dassault）合作开展建立数字孪生城市，描述城市中从公交车站到建筑物的所有事物。借助数字孪生体，可以获得巨大的收益，其中包括：

1）提供城市多角度可视化视图；

2）通过虚拟实验优化相关管理措施；

3）优化长期规划和决策；

4）支持大规模仿真。

图5 新加坡数字孪生城市

Cityzenith建立了用于城市管理的“5D智能世界平台”。它将数字图像与可用数据集成在一起，并通过上下文数据架构覆盖物联网网络，从而为整个城市创建虚拟化的表示。借助该平台，可以以数字化的方式开发基础设施，并且可以实现城市更完整的数字生命周期。目前，该平台已在包括芝加哥、伦敦、多哈等在内的100多个城市中使用。

很明显，数字孪生是城市管理中的重要技术。借助数字孪生提供的高保真虚拟化和模拟功能，可以优化城市管理，从而建设具有运行、分析和预测的智慧城市。

数字孪生+建筑

施工建造是建立建筑物或基础设施的重要过程，包括设计、建造、装修和管理等阶段。为人们提供了住宿和娱乐的空间，并且与经济、文化和生活息息相关。IBM、安世亚太、达索等公司试图将数字孪生引入这一领域，构建与真实建筑高逼真的BIM模型，从而打造更便宜、更绿色、更耐用的建筑。

IBM Watson 展示了如何在建筑中使用数字孪生来控制供暖、通风和空调（HVAC）系统并监控室内气候条件。例如，在一个建筑物中，部署600个房间传感器、250个智能电表和169台HVAC机器，根据收集的数据创建建筑物的数字孪生体，以帮助工程师调节能耗并检测潜在的使用需求，为技术人员提供指导服务、维护策略和环境控制经验。

2015年，达索公司与巴黎市政府合作的“数字巴黎”项目中，通过构建完整的巴黎圣母院BIM模型，真实还原了巴黎圣母院的原貌和几百年的建造与维护过程，在数字世界中再现了一块砖、一扇门、一扇窗的安装过程，同时也完美地构建了巴黎圣母院的数字孪生体。因此，在2019年巴黎圣母院发生大火，塔楼倒塌、建筑受损之后，基于前期构建的圣母院数字孪生体，为其修复提供了支撑。

安世亚太通过STEPS人群疏散仿真与建筑数字孪生体的融合应用，快速实现办公大楼、机场、地铁、车站、剧场等人员密集区域的人员应急疏散和分布状况仿真。如图6所示，当现实物理城市运行过程中发生突发事件需要进行人群疏散和应急救援时，可采用相关模拟仿真软件，结合建筑数字孪生体快速进行模拟分析，找到最佳人群疏散路径和应急救援方案。STEPS仿真软件已经被成功应用于一些世界级的大项目，包括加拿大埃得蒙顿机场、印度德里地铁、英国生命国际中心等。

图6 地铁站内人员行动仿真与学校人员应急疏散仿真示例

VEERUM 为大型建筑工地提供数字孪生解决方案，在影响实际成本和进度之前预测并解决虚拟空间中的问题。VEERUM首席执行官费舍尔（Fisher）说，创建物理施工现场的数字孪生体更加有利于项目团队决策的制定，并优化设计和施工方案，更高效地交付项目。例如，由于数字孪生提供了对土壤类型和移动量的持续监控，项目团队可以了解项目进度和周围环境，并及时进行必要的更改。

Intellectsoft在建筑工地上探索数字孪生应用。对于建筑而言，使用数字孪生意味着人们可以同步使用设计模型和已建成的建筑模型，从而可以每天或者每时每刻检测两个部分之间的差异，从而在项目早期发现潜在的问题。由于数字孪生提供了自动的资源分配监视和废物跟踪功能，因此它还为资源管理提供了一种预测性的精益管理方法，可以帮助管理人员及早了解工人的不当行为，以防止发生危险。

普华永道（PWC）讨论了建筑行业的数字化转型。其指出，数字孪生可以应用于各种建筑物。例如，在办公楼环境中，数字孪生可以随时显示人员的数量和位置，可以为管理系统提供有价值的数据，以进行预测性分析和优化。

在建筑中，使用数字孪生可以帮助将物理空间和虚拟空间结合在一起，以建造更便宜、更绿色、更耐用的建筑物，并为建造完成的建筑物提供更有效的资产管理方法。

来源：数字孪生DigitalTwin 作者：陶飞、戚庆林等