1、 需求背景

    數字孿生體的突破在于，它不僅僅是物理世界的鏡像，也要接受物理世界的實時信息，更要反過來實時驅動物理世界，進而進化為物理世界的先知、先覺甚至超體。因此首先要強調互動，沒有實時互動，數字世界和物理世界之間就是偽孿生。其次，我們認為數字孿生體是仿真應用新巔峰，因為在數字孿生體成熟度進化的每個階段，仿真都扮演著不可或缺的角色。此外“共智”作為數字孿生體的理想態應用，更不止于工業。我們在對工業、產業、民生、軍事等四個最重要的關鍵領域做實例化論述的過程中發現了以下幾個主要的需求：

    1)   工業領域的數字孿生需求。工業智能化轉型，需要通過數字化手段實現效率提升和人工成本的大幅下降，通過工廠仿真實現產品的快速生產和交付。

    2)   民生領域的數字孿生需求。表現在公共安全、交通、公共管理、信息服務等方面，例如數字孿生帶來的災害預警、智慧交通、數字城市和健康管理等技術。

    3)    產業領域的數字孿生需求。如為礦業、運輸業等產業提供合理的資源使用方式，減少產業運行中存在的潛在風險。

    4)    軍事領域的數字孿生需求。數字戰場與國家安全息息相關，借由戰場環境仿真、戰場通信仿真等數字孿生系統，未來的軍事設施研發流程將由“設計-建造-測試”變為“建模-分析-建造”。

    2、解決方案

    我們為不同的數字孿生需求都提供了配套的解決方案。一個典型的數字孿生系統包括用戶域、數字孿生域、測試與控制實體、現實物理域和跨域功能實體共五個層次。

    該架構作為安世亞太開發數字孿生體的基礎架構，具有很好的拓展性，即便在不同領域下，都具有其指導意義，只要根據該框架適當的實例化展開，即可完成系統構建。

    1)   數字孿生體不僅僅是物理世界的鏡像，也要接受物理世界實時信息，更要反過來實時驅動物理世界，而且進化為物理世界的先知、先覺甚至超體。這個演變過程稱為成熟度進化，即一個數字孿生體的生長發育將經歷數化、互動、先知、先覺和共智等幾個過程。

    由上表可知，在每一個進化過程中，都有其實例化特征。對于數字孿生技術來說，其核心是仿真，基礎是建模，物聯網和數字線程為數字孿生體提供了實用價值，而基于大數據的人工智能則是一種新的仿真范式。

    2)   安世亞太基于ANSYS和FLOWNEX等諸多強大的仿真軟件，可以為客戶提供針對不同領域的多種關鍵技術支持。其特定核心技術涵括：

    數字孿生制造：CAD、CAE、工藝仿真、工廠仿真、工業控制等。

    數字孿生產業：創成式設計、增材制造等。

    數字孿生城市：測繪技術、3D-GIS、CIM、城市仿真、人臉識別等。

    數字孿生戰場：毀傷與損傷評估、體系仿真、軍用數據鏈、戰場感知等。

    Flownex包含大量流體、電子、機械及工業控制組件，可與thingworx物聯平臺結合，生成數字孿生解決方案，可滿足一般工業產業領域的相關數字孿生需求。

    基于Ansys的三維建模及仿真，其功能更加精細且全面，可應對流體、電磁、溫度場、機械、通信等多種不同性質的仿真對象，并配合降階技術，可在保證精度的情況下，實現三維仿真的高速化。三維模型可以單獨作為孿生體出現，也可以協同其它三維模型或一維模型共同建立數字孿生體。

    借由數據驅動的三維實時渲染、三維圖形交互以及可視化分析技術，可以將被孿生實體的運行狀態在數字世界中進行模擬和重現，如設備運行模擬、機器加工協同工作模擬、生產流程優化、產品流轉模擬、人員配置調整、原料物流模擬、生產運維問題預測等應用場景。

    利用建模仿真工具高靈活度、低使用門檻的應用屬性，實現車間、生產線柔性布局、生產問題早預測。

    3、案例應用

    空調系統數字孿生案例

    1)   系統分析

    中央空調系統是辦公樓里的耗電大戶，使用數字孿生技術對中央空調系統進行研究與仿真，將在節能環保方面為企業帶來可觀的經濟效益和社會效益。

    此建筑安裝有多聯機中央空調系統，室外機統一布置在大樓頂層，每臺室外主機通過配管連接并驅動單層一半的室內機。室外側采用風冷換熱形式室內側采用制冷劑蒸發換熱的形式。

空調內外機示意圖

    2)  建模

    在空調系統數字孿生體的建立過程中，安世亞太的工程師們使用CAE仿真軟件建立了三個物理系統的孿生體，這三個物理系統分別是物理制冷循環系統孿生體、物理通風管路系統孿生體和物理室內通風系統孿生體。這三個物理系統孿生體之間的構成和關系如圖：

空調系統分解為三個字系統，并分別建模

空調系統分解為三個字系統，并分別建模空調系統分解為三個字系統，并分別建模空調系統分解為三個字系統，并分別建模

    3)  降階&仿真運算

    由于三維仿真計算量大，計算速度慢，無法滿足數字孿生在反應速度方面的需求，所以在實時性方面需要使用降階方法，提高三維仿真的計算速度，運算過程如圖：

    4)  空調系統數字孿生演示界面

    仿真計算結果可通過程序的API或者經由OPC服務器傳出，這些經過仿真計算的數據添加了邏輯處理之后，可以形成一個物理系統和孿生系統之間數據傳遞的閉環，實現以孿生體的計算作為驅動，對物理系統的控制。