【導讀】產(chǎn)業(yè)界自2002年首次設想將數(shù)字孿生（Digital Twins，又稱數(shù)字雙胞胎）應用于制造業(yè)，至今已有超過20年的歷史。數(shù)字孿生并不算是個新概念，但其價值正逐漸被挖掘，屬于一個常談常新的概念。市場分析機構Gartner自2017年開始在每一年的十大戰(zhàn)略技術趨勢中都有談到數(shù)字孿生，且都有不同的理解。
圖1：數(shù)字孿生入選Gartner《2019年十大戰(zhàn)略技術趨勢》（圖源：Gartner）
比如，Gartner在《2023年十大戰(zhàn)略技術趨勢》中預測，到2027年，全球超過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(xiàn)實（AR）云和數(shù)字孿生的組合來增加收入。
數(shù)字孿生的目標是提供一個用于實際系統(tǒng)優(yōu)化和決策支持的全新方式，物理世界的實時數(shù)據(jù)是其做決策的主要依據(jù)。因而，幫助系統(tǒng)構建自我感知能力的傳感器在數(shù)字孿生系統(tǒng)中扮演著重要的角色，這也是貿澤電子攜手原廠賦能數(shù)字孿生發(fā)展的方式之一。
數(shù)字孿生的概念和價值
從概念上來講，數(shù)字孿生是一種虛擬模型，旨在準確反映物理對象，是現(xiàn)實世界和數(shù)字世界融合的關鍵性技術。簡言之，數(shù)字孿生是制造業(yè)流程、產(chǎn)品和服務的虛擬模型。因此，在數(shù)字孿生的大架構下，也會有一些小分類：組件/零件孿生、資產(chǎn)孿生、功能系統(tǒng)孿生和工藝孿生，這些概念從字面意思就很好理解，它們構成了整個數(shù)字孿生的大系統(tǒng)。
為了讓數(shù)字孿生系統(tǒng)和物理世界能夠準確對照，整個系統(tǒng)的構建需要具備四大屬性，分別是準確性、實時性、協(xié)調性和閉環(huán)性。
準確性也稱之為保真性，這一特性要求數(shù)字孿生系統(tǒng)獲取到的數(shù)字是真實準確的，這個數(shù)據(jù)越精準，那么虛擬模型和物理實體的接近性越強。在此過程中，不僅是要在系統(tǒng)中構建各個設備、產(chǎn)品、產(chǎn)線的仿真數(shù)據(jù)，也要有物理實體的狀態(tài)、相態(tài)和時態(tài)仿真。
對于實時性的要求則是基于因為數(shù)字孿生是多維度、多時間尺度虛擬交互的耦合關系，以虛控實為最終目的。因此，要實現(xiàn)精準的控制，就需要實時獲取物理實體的狀態(tài)量，形成物理實體實時狀態(tài)的數(shù)字虛體映射。
協(xié)調性可以進一步分為互操作性和可擴展性，要求數(shù)字孿生中的物理對象和數(shù)字空間能夠雙向映射、動態(tài)交互和實時連接，并且單一物理實體在不同的數(shù)字模型中支持互操作，以簡化流程的復雜性。當然，由于生產(chǎn)任務的變動以及系統(tǒng)升級等需求存在，構建好的數(shù)字孿生系統(tǒng)在物理層級和數(shù)字架構層級上都要具備可擴展性，這是數(shù)字孿生和柔性生產(chǎn)融合的重點和要點。
閉環(huán)性是指數(shù)字孿生系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)的可視化功能和內在機理要有統(tǒng)一的平臺控制，因此各系統(tǒng)的監(jiān)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(shù)字孿生系統(tǒng)就能夠正式運轉起來了。通過引入數(shù)字孿生系統(tǒng)，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(tǒng)項目（渦輪蒸汽機、飛機等）等應用帶來智能生產(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(shù)字孿生可以基于現(xiàn)有產(chǎn)品創(chuàng)建大量的關鍵性能數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對研發(fā)部門具有很大的參考價值，能夠在產(chǎn)品迭代中進行必要的性能改進；
02 生產(chǎn)：數(shù)字孿生系統(tǒng)可以鏡像和監(jiān)測整個生產(chǎn)系統(tǒng)，當有產(chǎn)品投入生產(chǎn)后，該系統(tǒng)能夠讓生產(chǎn)任務實現(xiàn)和保持更高的效率，并通過監(jiān)管預測系統(tǒng)降低生產(chǎn)中的風險；
03 設備管理：數(shù)字孿生中的仿真模型是基于物理實體的，對于設備的生命周期有著明確的信息，可以幫助制造商決定如何處理工作壽命結束的產(chǎn)品，并通過回收或其他措施進行最終處理。
總結而言，數(shù)字孿生能夠幫助重點產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)全要素數(shù)字化，完成數(shù)字經(jīng)濟和實體經(jīng)濟的有效融合，助力產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化升級。
傳感器在數(shù)字孿生中的應用
上文中我們主要討論了數(shù)字孿生的屬性和價值，接下來我們看看如何具體地實施數(shù)字孿生。下圖是中國電力科學研究院人工智能應用研究所分享的一張數(shù)字孿生應用框架圖，能夠看到，在物理對象之上，數(shù)字孿生系統(tǒng)包括感知、數(shù)據(jù)、建模、可視化和應用五層架構。那么，感知系統(tǒng)便是整個系統(tǒng)的底層基礎，是數(shù)據(jù)采集的入口。
圖2：數(shù)字孿生系統(tǒng)框圖
（圖源：中國電力科學研究院人工智能應用研究所）
感知技術對運行環(huán)境和數(shù)字孿生組成部件自身狀態(tài)數(shù)據(jù)的獲取，是實現(xiàn)物理對象與其數(shù)字孿生系統(tǒng)間全要素、全業(yè)務、全流程精準映射與實時交互的重要一環(huán)。因此，物聯(lián)網(wǎng)感知技術和建模技術也是數(shù)字孿生在數(shù)字仿真階段非常重要的兩項技術。
以電力設備的數(shù)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(shù)據(jù)以及設備溫度、聲音、振動等數(shù)據(jù)也要準確把握，因此需要配備大量震動、溫度、濕度等傳感器。通過數(shù)據(jù)的精準測量，以及數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)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量傳感器，來自制造商Sensirion。
在數(shù)字孿生應用中，空氣質量傳感器的應用非常廣泛，無論是工業(yè)制造，還是城市管理等應用都離不開空氣質量傳感器。比如，在城市管理中通過空氣質量傳感器能夠模擬碳排放和空氣質量等重要指標，減少資源的浪費和環(huán)境的污染，幫助規(guī)劃者制定科學有效的城市規(guī)劃策略。
首先，我們要介紹的第一款空氣質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(shù)字式空氣質量傳感器中的一款，是一種完整、易于使用的單芯片傳感器系統(tǒng)。該系列器件具有優(yōu)秀的性能，提供基于VOC和基于NOx的室內空氣質量信號，擁有500個VOC和NOx索引點，可完成65,535計次測量；器件之間的變化分別為<±15個VOC索引點和<±50個NOx索引點；可重復性為<±5個VOC索引點和<±10個NOx索引點；采樣間隔范圍為0.5s至10s。
在清潔空氣測量中，該系列數(shù)字式空氣質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(shù)字式空氣質量傳感器可測量NO2范圍為0至10,000ppb，指定值為50ppb至650ppb。
圖4：SGP41系列數(shù)字式空氣質量傳感器
對乙醇、NO2和O3的測量表現(xiàn)
（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(shù)字式空氣質量傳感器的設計。器件內具有數(shù)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量應用中存在的污染氣體的高魯棒性，從而實現(xiàn)獨特的長期穩(wěn)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系統(tǒng)，產(chǎn)品壽命超過10年。
圖5：SGP41系列數(shù)字式空氣質量傳感器內部框圖
（圖源：Sensirion）
第二款空氣質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(shù)字I2C輸出以及±（30ppm+3%MV）精度標稱值。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，光學腔的尺寸大幅減小，同時不會影響傳感器性能。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系列設有高質量濕度和溫度傳感器，可提供兩個額外傳感器輸出。
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，可進行回流焊；無需外部電路，無能量損耗，組裝后即可提供準確讀數(shù)。SCD4x系列非常適合用于傳感市場，如物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、汽車、暖通空調、電器和消費電子產(chǎn)品。
數(shù)字孿生三大發(fā)展趨勢，傳感器如何應對？
數(shù)字孿生的目標是將物理世界數(shù)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。隨著滲透率提升，通過數(shù)字孿生技術，我們可以更好地理解和掌握復雜系統(tǒng)，并提供有效的優(yōu)化和決策支持。不過，無論數(shù)字孿生技術如何迭代發(fā)展，其技術框架體系是較為固定的，離不開廣泛布局的傳感器網(wǎng)絡。
當然，隨著數(shù)字孿生系統(tǒng)復雜度提升，傳感器也要順應這種發(fā)展趨勢，向著集成化、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(shù)字孿生，加速大家的方案開發(fā)。
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