【導讀】產(chǎn)業(yè)界自2002年首次設想將數字孿生（Digital Twins，又稱(chēng)數字雙胞胎）應用于制造業(yè)，至今已有超過(guò)20年的歷史。數字孿生并不算是個(gè)新概念，但其價(jià)值正逐漸被挖掘，屬于一個(gè)常談常新的概念。市場(chǎng)分析機構Gartner自2017年開(kāi)始在每一年的十大戰略技術(shù)趨勢中都有談到數字孿生，且都有不同的理解。
圖1：數字孿生入選Gartner《2019年十大戰略技術(shù)趨勢》（圖源：Gartner）
比如，Gartner在《2023年十大戰略技術(shù)趨勢》中預測，到2027年，全球超過(guò)40%的大型企業(yè)機構將在基于元宇宙的項目中使用Web3、增強現實(shí)（AR）云和數字孿生的組合來(lái)增加收入。
數字孿生的目標是提供一個(gè)用于實(shí)際系統優(yōu)化和決策支持的全新方式，物理世界的實(shí)時(shí)數據是其做決策的主要依據。因而，幫助系統構建自我感知能力的傳感器在數字孿生系統中扮演著(zhù)重要的角色，這也是貿澤電子攜手原廠(chǎng)賦能數字孿生發(fā)展的方式之一。
數字孿生的概念和價(jià)值
從概念上來(lái)講，數字孿生是一種虛擬模型，旨在準確反映物理對象，是現實(shí)世界和數字世界融合的關(guān)鍵性技術(shù)。簡(jiǎn)言之，數字孿生是制造業(yè)流程、產(chǎn)品和服務(wù)的虛擬模型。因此，在數字孿生的大架構下，也會(huì )有一些小分類(lèi)：組件/零件孿生、資產(chǎn)孿生、功能系統孿生和工藝孿生，這些概念從字面意思就很好理解，它們構成了整個(gè)數字孿生的大系統。
為了讓數字孿生系統和物理世界能夠準確對照，整個(gè)系統的構建需要具備四大屬性，分別是準確性、實(shí)時(shí)性、協(xié)調性和閉環(huán)性。
準確性也稱(chēng)之為保真性，這一特性要求數字孿生系統獲取到的數字是真實(shí)準確的，這個(gè)數據越精準，那么虛擬模型和物理實(shí)體的接近性越強。在此過(guò)程中，不僅是要在系統中構建各個(gè)設備、產(chǎn)品、產(chǎn)線(xiàn)的仿真數據，也要有物理實(shí)體的狀態(tài)、相態(tài)和時(shí)態(tài)仿真。
對于實(shí)時(shí)性的要求則是基于因為數字孿生是多維度、多時(shí)間尺度虛擬交互的耦合關(guān)系，以虛控實(shí)為最終目的。因此，要實(shí)現精準的控制，就需要實(shí)時(shí)獲取物理實(shí)體的狀態(tài)量，形成物理實(shí)體實(shí)時(shí)狀態(tài)的數字虛體映射。
協(xié)調性可以進(jìn)一步分為互操作性和可擴展性，要求數字孿生中的物理對象和數字空間能夠雙向映射、動(dòng)態(tài)交互和實(shí)時(shí)連接，并且單一物理實(shí)體在不同的數字模型中支持互操作，以簡(jiǎn)化流程的復雜性。當然，由于生產(chǎn)任務(wù)的變動(dòng)以及系統升級等需求存在，構建好的數字孿生系統在物理層級和數字架構層級上都要具備可擴展性，這是數字孿生和柔性生產(chǎn)融合的重點(diǎn)和要點(diǎn)。
閉環(huán)性是指數字孿生系統中各個(gè)子系統的可視化功能和內在機理要有統一的平臺控制，因此各系統的監視、分析、推理、優(yōu)化、運行功能存在閉環(huán)，具有明顯的權限邊界。
當具備上述特性之后，數字孿生系統就能夠正式運轉起來(lái)了。通過(guò)引入數字孿生系統，能夠給制造產(chǎn)業(yè)、大型結構項目（建筑物、橋梁等）、電力設備和復雜系統項目（渦輪蒸汽機、飛機等）等應用帶來(lái)智能生產(chǎn)和智能管理的新模式。
尤其是在研發(fā)、生產(chǎn)和設備管理方面：
01 研發(fā)：數字孿生可以基于現有產(chǎn)品創(chuàng )建大量的關(guān)鍵性能數據，這些數據對研發(fā)部門(mén)具有很大的參考價(jià)值，能夠在產(chǎn)品迭代中進(jìn)行必要的性能改進(jìn)；
02 生產(chǎn)：數字孿生系統可以鏡像和監測整個(gè)生產(chǎn)系統，當有產(chǎn)品投入生產(chǎn)后，該系統能夠讓生產(chǎn)任務(wù)實(shí)現和保持更高的效率，并通過(guò)監管預測系統降低生產(chǎn)中的風(fēng)險；
03 設備管理：數字孿生中的仿真模型是基于物理實(shí)體的，對于設備的生命周期有著(zhù)明確的信息，可以幫助制造商決定如何處理工作壽命結束的產(chǎn)品，并通過(guò)回收或其他措施進(jìn)行最終處理。
總結而言，數字孿生能夠幫助重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)實(shí)現全要素數字化，完成數字經(jīng)濟和實(shí)體經(jīng)濟的有效融合，助力產(chǎn)業(yè)的數字化升級。
傳感器在數字孿生中的應用
上文中我們主要討論了數字孿生的屬性和價(jià)值，接下來(lái)我們看看如何具體地實(shí)施數字孿生。下圖是中國電力科學(xué)研究院人工智能應用研究所分享的一張數字孿生應用框架圖，能夠看到，在物理對象之上，數字孿生系統包括感知、數據、建模、可視化和應用五層架構。那么，感知系統便是整個(gè)系統的底層基礎，是數據采集的入口。
圖2：數字孿生系統框圖
（圖源：中國電力科學(xué)研究院人工智能應用研究所）
感知技術(shù)對運行環(huán)境和數字孿生組成部件自身狀態(tài)數據的獲取，是實(shí)現物理對象與其數字孿生系統間全要素、全業(yè)務(wù)、全流程精準映射與實(shí)時(shí)交互的重要一環(huán)。因此，物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)和建模技術(shù)也是數字孿生在數字仿真階段非常重要的兩項技術(shù)。
以電力設備的數字孿生應用為例，不僅需要精準掌握發(fā)/輸/配電方面的信息，對于電站周邊氣象數據以及設備溫度、聲音、振動(dòng)等數據也要準確把握，因此需要配備大量震動(dòng)、溫度、濕度等傳感器。通過(guò)數據的精準測量，以及數據之間的協(xié)同交互，便能夠保證電力設備的可信、可控。
其他數字孿生應用構建同樣需要大量的傳感器。在此，我們?yōu)榇蠹彝扑]兩款可用于數字孿生應用的傳感器，它們可以幫助打造設備、生產(chǎn)、倉儲等所需要的空氣環(huán)境，兩款設備均是空氣質(zhì)量傳感器，來(lái)自制造商Sensirion。
在數字孿生應用中，空氣質(zhì)量傳感器的應用非常廣泛，無(wú)論是工業(yè)制造，還是城市管理等應用都離不開(kāi)空氣質(zhì)量傳感器。比如，在城市管理中通過(guò)空氣質(zhì)量傳感器能夠模擬碳排放和空氣質(zhì)量等重要指標，減少資源的浪費和環(huán)境的污染，幫助規劃者制定科學(xué)有效的城市規劃策略。
首先，我們要介紹的第一款空氣質(zhì)量傳感器在貿澤電子官網(wǎng)上的料號為SGP41-D-R4。
圖3：SGP41-D-R4
（圖源：貿澤電子）
SGP41-D-R4屬于Sensirion SGP41 CMOSens/MOXSens數字式空氣質(zhì)量傳感器中的一款，是一種完整、易于使用的單芯片傳感器系統。該系列器件具有優(yōu)秀的性能，提供基于VOC和基于NOx的室內空氣質(zhì)量信號，擁有500個(gè)VOC和NOx索引點(diǎn)，可完成65,535計次測量；器件之間的變化分別為<±15個(gè)VOC索引點(diǎn)和<±50個(gè)NOx索引點(diǎn)；可重復性為<±5個(gè)VOC索引點(diǎn)和<±10個(gè)NOx索引點(diǎn)；采樣間隔范圍為0.5s至10s。
在清潔空氣測量中，該系列數字式空氣質(zhì)量傳感器可測量空氣中乙醇為0至1,000,000ppb，指定值為500ppb至10,000ppb；在潔凈空氣測量中，該系列數字式空氣質(zhì)量傳感器可測量NO2范圍為0至10,000ppb，指定值為50ppb至650ppb。
圖4：SGP41系列數字式空氣質(zhì)量傳感器
對乙醇、NO2和O3的測量表現
（圖源：Sensirion）
SGP41系列之所以具有如此優(yōu)秀的性能，得益于該系列數字式空氣質(zhì)量傳感器的設計。器件內具有數字I2C接口和溫控微熱板，搭載的傳感元件和氣體索引算法具有對空氣質(zhì)量應用中存在的污染氣體的高魯棒性，從而實(shí)現獨特的長(cháng)期穩定性和低漂移。小尺寸封裝可以輕松集成到空氣凈化器或按需控制的通風(fēng)系統，產(chǎn)品壽命超過(guò)10年。
圖5：SGP41系列數字式空氣質(zhì)量傳感器內部框圖
（圖源：Sensirion）
第二款空氣質(zhì)量傳感器在貿澤電子官網(wǎng)上的料號為SCD40-D-R2，屬于SCD4x微型二氧化碳傳感器中的一款。當然，該系列器件不僅能夠測量二氧化碳，也可以測量相對溫度和相對濕度(RH/T)。
圖6：SCD4x微型二氧化碳傳感器
（圖源：貿澤電子）
SCD4x微型二氧化碳傳感器具有2.4V至5.5V電源電壓范圍、完全校準的數字I2C輸出以及±（30ppm+3%MV）精度標稱(chēng)值。該系列中不同型號的器件提供不同的精度選擇，具體如下表所示：
SCD4x微型二氧化碳傳感器采用了光聲感測原理，光學(xué)腔的尺寸大幅減小，同時(shí)不會(huì )影響傳感器性能。SCD4x的尺寸僅為10.1mm x 10.1mm x 6.5mm，與SCD30相比，占位面積僅為前者的1/5。另外，SCD4x系列設有高質(zhì)量濕度和溫度傳感器，可提供兩個(gè)額外傳感器輸出。
圖7：SCD4x系列器件內部框圖
（圖源：Sensirion）
特別要提到的是，SCD4x系列具有非常棒的易用性，采用表面貼裝，機械堅固，可進(jìn)行回流焊；無(wú)需外部電路，無(wú)能量損耗，組裝后即可提供準確讀數。SCD4x系列非常適合用于傳感市場(chǎng)，如物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、汽車(chē)、暖通空調、電器和消費電子產(chǎn)品。
數字孿生三大發(fā)展趨勢，傳感器如何應對？
數字孿生的目標是將物理世界數字化，因此其有三大明顯的發(fā)展趨勢，分別是智能化、物聯(lián)網(wǎng)化和應用廣泛化。隨著(zhù)滲透率提升，通過(guò)數字孿生技術(shù)，我們可以更好地理解和掌握復雜系統，并提供有效的優(yōu)化和決策支持。不過(guò)，無(wú)論數字孿生技術(shù)如何迭代發(fā)展，其技術(shù)框架體系是較為固定的，離不開(kāi)廣泛布局的傳感器網(wǎng)絡(luò )。
當然，隨著(zhù)數字孿生系統復雜度提升，傳感器也要順應這種發(fā)展趨勢，向著(zhù)集成化、智能化和小型化方向不斷升級。在貿澤電子官網(wǎng)上，不僅能夠找到性能優(yōu)秀的傳感器，還有豐富的元器件和方案可用于數字孿生，加速大家的方案開(kāi)發(fā)。
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