数字双胞胎是工业的基石

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摘要：模拟技术 在机械设备的研发设计和以后的长期使用中，机床设备或者设备系统的数字双胞胎映像有着非常广泛的应用前景 如果产品开发是建立在基于模拟的设计基础之上的，那么就不

模拟技术

在机械设备的研发设计和以后的长期使用中，机床设备或者设备系统的数字双胞胎映像有着非常广泛的应用前景

如果产品开发是建立在基于模拟的设计基础之上的，那么就不可避免的有一个数字双胞胎。在产品的整个寿命周期内真正的使用了数字双胞胎，就可以结合实时数据开发出更有意义的应用软件。

一般情况下通常将数字双胞胎理解为物理系统运行时的虚拟动态映像，这些物理系统可以是单个的组件和仪器设备，也可以是一台机床或者是完整的电网。它可以通过模拟仿真来“完成或者执行”一些过程，获得仪器仪表、机床或者设备的当前数据和预设数据。

根据不同的使用目的，数字双胞胎有着不同的具体应用：它可以是一个简单的数据模型，也可以是一个完整的多域模型。在这些模型中包含了真实设备机械的、电气的、电子的、液压的或者其他组成部件。建模方法也是多种多样的，从单纯的数据方法到物理方法或者是两者的组合。

基于模型设计诞生的数字双胞胎

尽管建模已经不是什么新鲜事物了，但是在智能化设备制造中因传感器、嵌入式系统和通信接口集成度不断提高的情况下，工业生产企业及其上游企业生产的产品中数字化双胞胎仍然在其整个使用寿命周期内有着很大的应用潜力。在生产设备实时地产生大量数据的同时，数字双胞胎能够将这些数据转化为有用的信息，使其成为工业4.0的驱动器。

基于模型的设计方法不可避免的会导致创建仿真模拟模型，从而出现了数字双胞胎。基于模型的设计方法的最大优点是一个有着多种多样测试和验证可能性的快速设计过程。工程师们能够从多种条件下的仿真模拟查看设计的成果是否理想，是否可以从中受益，还可以是在设计过程中平行的进行仿真模拟，即使没有真实的硬件也可以实现更高的测试覆盖率，从而节约了时间。在设计过程中使用的模型也是数字双胞胎的基础。

应用实例1：工作过程的优化

到目前为止，一座建筑物费用支出的绝大部分是采暖或者制冷的能源费用。数字双胞胎应用的一个实际例子就是在大型建筑物中使用的HLK系统（建筑物采暖、通风和空调系统）。在楼宇中央控制系统中加入数字双胞胎就能由楼宇中央控制系统来控制HLK，进行整座建筑物的采暖、通风和温度的调节控制。HLK系统和调控方案的任何一点低效都会带来不应有的费用支出。为了克服这些低效，可以将楼宇中央控制系统与云服务平台连接起来，并使用数字双胞胎技术的数据进行机器学习，优化楼宇中央控制系统的运行。为了进一步改善楼宇中央控制系统的数据分析质量，可以使用浮动价格的能源数据，甚至可以使用预报的能源价格数据进行优化。采取这些措施之后，最多可以将HLK系统的能源消耗25%。

图1 基于模型的设计MBD与数字双胞胎之间的相互关系

图2 某电网在正常供电的同时利用数字双胞胎进行供电管理的仿真模拟示意图

应用实例2：性能管理

电网的供电量有着很大的变化，例如在一天、一周或者一年的不同季节中或者因天气和可再生电力能源的发电量等因素而有着不同的电力需求，有着起伏很大的供电量。如果没有足够的电力储备，则供电量的波动、变化会导致电网停电。另一方面，储备没有使用的电力能源也是一件费用高昂的事情，同时也提高了电力交易所的总电价。因此，利用数字双胞胎技术来模拟假设的情况，可以显著的提高能源储备的决策水平。

此类优化的起点是电网记录的频率测量值。只要电网供电是平衡的，美国60 Hz的频率或者德国50 Hz的频率都不会变化。频率提高则表示电网的供大于求，频率变低则表示电力供应不足。将检测到的电网频率数据输入到仿真模型，并将仿真模拟的结果与电网系统的实际反应进行对比就可以动态的评估电力能源储备状况，也就可以及时的进行修改和改进。

这样的仿真模拟要进行数百次，以确保考虑了所有可能出现的情况。通过使用并行计算机和电网的数字双胞胎，就使得电力供应商有能力以30 min为一个周期准确的计算电力能源的储备量了，也就可以降低不必要的费用支出，避免意外停电等故障。

应用实例3：预防性维护保养

工业生产设备的停机时间带来的经济损失远远高于其所更换零部件的价格。因此，及时而有计划的设备维护保养对机械加工制造企业来讲是至关重要的，必须把故障停机时间降低到最小程度，避免生产过程的中断。机床设备操作者和制造商们尝试着使用传感器得到的数据了解何时要对机床设备进行检修，知道哪些零部件必须更换。使机床设备能够在最合适的时刻进行维修，并且有针对性地维修某个机床设备零部件。

文章来源：《自动化与仪器仪表》 网址: http://www.zdhyyqybzz.cn/qikandaodu/2021/0314/698.html

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