【導讀】產業界自2002年首次設想將數字孿生（Digital Twins，又稱數字雙胞胎）應用於製造業，至今已有超過20年的曆史。數字孿生並不算是個新概念，但其價值正逐漸被挖掘


，屬於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略技術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年十大戰略技術趨勢》（圖源：Gartner）

比如，Gartner在《2023年十大戰略技術趨勢》中預測，到2027年，全球超過40%的大型企業機構將在基於元宇宙的項目中使用Web3、增強現實（AR）雲和數字孿生的組合來增加收入。

shuziluanshengdemubiaoshitigongyigeyongyushijixitongyouhuahejuecezhichidequanxinfangshi
，wulishijiedeshishishujushiqizuojuecedezhuyaoyiju。yiner，bangzhuxitonggoujianziwoganzhinenglidechuanganqizaishuziluanshengxitongzhongbanyanzhezhongyaodejiaose
，zheyeshimaozedianzixieshouyuanchangfunengshuziluanshengfazhandefangshizhiyi。

數字孿生的概念和價值

從cong概gai念nian上shang來lai講jiang
，數shu字zi孿luan生sheng是shi一yi種zhong虛xu擬ni模mo型xing，旨zhi在zai準zhun確que反fan映ying物wu理li對dui象xiang
，是shi現xian實shi世shi界jie和he數shu字zi世shi界jie融rong合he的de關guan鍵jian性xing技ji術shu。簡jian言yan之zhi，數shu字zi孿luan生sheng是shi製zhi造zao業ye流liu程cheng、產品和服務的虛擬模型。因此，在數字孿生的大架構下
，也會有一些小分類：組件/零件孿生、資產孿生、功能係統孿生和工藝孿生，這些概念從字麵意思就很好理解，它們構成了整個數字孿生的大係統。

為了讓數字孿生係統和物理世界能夠準確對照，整個係統的構建需要具備四大屬性，分別是準確性、實時性、協調性和閉環性。

準zhun確que性xing也ye稱cheng之zhi為wei保bao真zhen性xing，這zhe一yi特te性xing要yao求qiu數shu字zi孿luan生sheng係xi統tong獲huo取qu到dao的de數shu字zi是shi真zhen實shi準zhun確que的de，這zhe個ge數shu據ju越yue精jing準zhun，那na麼me虛xu擬ni模mo型xing和he物wu理li實shi體ti的de接jie近jin性xing越yue強qiang。在zai此ci過guo程cheng中zhong
，不bu僅jin是shi要yao在zai係xi統tong中zhong構gou建jian各ge個ge設she備bei、產品
、產線的仿真數據，也要有物理實體的狀態、相態和時態仿真。

對於實時性的要求則是基於因為數字孿生是多維度、多duo時shi間jian尺chi度du虛xu擬ni交jiao互hu的de耦ou合he關guan係xi
，以yi虛xu控kong實shi為wei最zui終zhong目mu的de。因yin此ci，要yao實shi現xian精jing準zhun的de控kong製zhi，就jiu需xu要yao實shi時shi獲huo取qu物wu理li實shi體ti的de狀zhuang態tai量liang
，形xing成cheng物wu理li實shi體ti實shi時shi狀zhuang態tai的de數shu字zi虛xu體ti映ying射she。

協調性可以進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dong態tai交jiao互hu和he實shi時shi連lian接jie，並bing且qie單dan一yi物wu理li實shi體ti在zai不bu同tong的de數shu字zi模mo型xing中zhong支zhi持chi互hu操cao作zuo，以yi簡jian化hua流liu程cheng的de複fu雜za性xing。當dang然ran

，由you於yu生sheng產chan任ren務wu的de變bian動dong以yi及ji係xi統tong升sheng級ji等deng需xu求qiu存cun在zai
，構gou建jian好hao的de數shu字zi孿luan生sheng係xi統tong在zai物wu理li層ceng級ji和he數shu字zi架jia構gou層ceng級ji上shang都dou要yao具ju備bei可ke擴kuo展zhan性xing，這zhe是shi數shu字zi孿luan生sheng和he柔rou性xing生sheng產chan融rong合he的de重zhong點dian和he要yao點dian。

閉環性是指數字孿生係統中各個子係統的可視化功能和內在機理要有統一的平台控製，因此各係統的監視
、分析、推理、優化、運行功能存在閉環，具有明顯的權限邊界。

當具備上述特性之後
，數字孿生係統就能夠正式運轉起來了。通過引入數字孿生係統，能夠給製造產業、大型結構項目（建築物、橋梁等）、電力設備和複雜係統項目（渦輪蒸汽機、飛機等）等應用帶來智能生產和智能管理的新模式。

尤其是在研發、生產和設備管理方麵：

01 研發：數(shu)字(zi)孿(luan)生(sheng)可(ke)以(yi)基(ji)於(yu)現(xian)有(you)產(chan)品(pin)創(chuang)建(jian)大(da)量(liang)的(de)關(guan)鍵(jian)性(xing)能(neng)數(shu)據(ju)，這(zhe)些(xie)數(shu)據(ju)對(dui)研(yan)發(fa)部(bu)門(men)具(ju)有(you)很(hen)大(da)的(de)參(can)考(kao)價(jia)值(zhi)，能(neng)夠(gou)在(zai)產(chan)品(pin)迭(die)代(dai)中(zhong)進(jin)行(xing)必(bi)要(yao)的(de)性(xing)能(neng)改(gai)進(jin)；

02 生產：數shu字zi孿luan生sheng係xi統tong可ke以yi鏡jing像xiang和he監jian測ce整zheng個ge生sheng產chan係xi統tong，當dang有you產chan品pin投tou入ru生sheng產chan後hou，該gai係xi統tong能neng夠gou讓rang生sheng產chan任ren務wu實shi現xian和he保bao持chi更geng高gao的de效xiao率lv，並bing通tong過guo監jian管guan預yu測ce係xi統tong降jiang低di生sheng產chan中zhong的de風feng險xian；

03 設備管理：數shu字zi孿luan生sheng中zhong的de仿fang真zhen模mo型xing是shi基ji於yu物wu理li實shi體ti的de，對dui於yu設she備bei的de生sheng命ming周zhou期qi有you著zhe明ming確que的de信xin息xi，可ke以yi幫bang助zhu製zhi造zao商shang決jue定ding如ru何he處chu理li工gong作zuo壽shou命ming結jie束shu的de產chan品pin，並bing通tong過guo回hui收shou或huo其qi他ta措cuo施shi進jin行xing最zui終zhong處chu理li。

總結而言，數字孿生能夠幫助重點產業實現全要素數字化，完成數字經濟和實體經濟的有效融合
，助力產業的數字化升級。

傳感器在數字孿生中的應用

shangwenzhongwomenzhuyaotaolunleshuziluanshengdeshuxinghejiazhi，jiexialaiwomenkankanruhejutidishishishuziluansheng。xiatushizhongguodianlikexueyanjiuyuanrengongzhinengyingyongyanjiusuofenxiangdeyizhangshuziluanshengyingyongkuangjiatu，nenggoukandao，zaiwuliduixiangzhishang，shuziluanshengxitongbaokuoganzhi、數據、建模
、可視化和應用五層架構。那麼，感知係統便是整個係統的底層基礎
，是數據采集的入口。

圖2：數字孿生係統框圖

（圖源：中國電力科學研究院人工智能應用研究所）

感知技術對運行環境和數字孿生組成部件自身狀態數據的獲取，是實現物理對象與其數字孿生係統間全要素、全業務、全流程精準映射與實時交互的重要一環。因此，物聯網感知技術和建模技術也是數字孿生在數字仿真階段非常重要的兩項技術。

以電力設備的數字孿生應用為例，不僅需要精準掌握發/輸/配電方麵的信息

，對於電站周邊氣象數據以及設備溫度、聲音、振動等數據也要準確把握，因此需要配備大量震動
、溫度
、濕度等傳感器。通過數據的精準測量，以及數據之間的協同交互，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，我們為大家推薦兩款可用於數字孿生應用的傳感器，它們可以幫助打造設備
、生產、倉儲等所需要的空氣環境，兩款設備均是空氣質量傳感器，來自製造商Sensirion。

在(zai)數(shu)字(zi)孿(luan)生(sheng)應(ying)用(yong)中(zhong)，空(kong)氣(qi)質(zhi)量(liang)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)應(ying)用(yong)非(fei)常(chang)廣(guang)泛(fan)，無(wu)論(lun)是(shi)工(gong)業(ye)製(zhi)造(zao)，還(hai)是(shi)城(cheng)市(shi)管(guan)理(li)等(deng)應(ying)用(yong)都(dou)離(li)不(bu)開(kai)空(kong)氣(qi)質(zhi)量(liang)傳(chuan)感(gan)器(qi)。比(bi)如(ru)，在(zai)城(cheng)市(shi)管(guan)理(li)中(zhong)通(tong)過(guo)空(kong)氣(qi)質(zhi)量(liang)傳(chuan)感(gan)器(qi)能(neng)夠(gou)模(mo)擬(ni)碳(tan)排(pai)放(fang)和(he)空(kong)氣(qi)質(zhi)量(liang)等(deng)重(zhong)要(yao)指(zhi)標(biao)
，減(jian)少(shao)資(zi)源(yuan)的(de)浪(lang)費(fei)和(he)環(huan)境(jing)的(de)汙(wu)染(ran)，幫(bang)助(zhu)規(gui)劃(hua)者(zhe)製(zhi)定(ding)科(ke)學(xue)有(you)效(xiao)的(de)城(cheng)市(shi)規(gui)劃(hua)策(ce)略(lve)。

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上的料號為SGP41-D-R4。

圖3：SGP41-D-R4

（圖源：貿澤電子）

SGP41-D-R4屬於Sensirion SGP41 CMOSens/MOXSens數字式空氣質量傳感器中的一款
，是一種完整、易於使用的單芯片傳感器係統。該係列器件具有優秀的性能，提供基於VOC和基於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；可重複性為<±5個VOC索引點和<±10個NOx索引點；采樣間隔範圍為0.5s至10s。

在清潔空氣測量中，該係列數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；在潔淨空氣測量中，該係列數字式空氣質量傳感器可測量NO2範圍為0至10,000ppb，指定值為50ppb至650ppb。

圖4：SGP41係列數字式空氣質量傳感器

對乙醇、NO2和O3的測量表現

（圖源：Sensirion）

SGP41係列之所以具有如此優秀的性能
，得益於該係列數字式空氣質量傳感器的設計。器件內具有數字I2C接(jie)口(kou)和(he)溫(wen)控(kong)微(wei)熱(re)板(ban)，搭(da)載(zai)的(de)傳(chuan)感(gan)元(yuan)件(jian)和(he)氣(qi)體(ti)索(suo)引(yin)算(suan)法(fa)具(ju)有(you)對(dui)空(kong)氣(qi)質(zhi)量(liang)應(ying)用(yong)中(zhong)存(cun)在(zai)的(de)汙(wu)染(ran)氣(qi)體(ti)的(de)高(gao)魯(lu)棒(bang)性(xing)
，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)獨(du)特(te)的(de)長(chang)期(qi)穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)低(di)漂(piao)移(yi)。小(xiao)尺(chi)寸(cun)封(feng)裝(zhuang)可(ke)以(yi)輕(qing)鬆(song)集(ji)成(cheng)到(dao)空(kong)氣(qi)淨(jing)化(hua)器(qi)或(huo)按(an)需(xu)控(kong)製(zhi)的(de)通(tong)風(feng)係(xi)統(tong)，產(chan)品(pin)壽(shou)命(ming)超(chao)過(guo)10年。

圖5：SGP41係列數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上的料號為SCD40-D-R2，屬於SCD4x微型二氧化碳傳感器中的一款。當然，該係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電源電壓範圍
、完全校準的數字I2C輸出以及±（30ppm+3%MV）精度標稱值。該係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
，占位麵積僅為前者的1/5。另外，SCD4x係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係列器件內部框圖

（圖源：Sensirion）

特別要提到的是，SCD4x係列具有非常棒的易用性，采用表麵貼裝，機械堅固

，可進行回流焊；無需外部電路
，無能量損耗，組裝後即可提供準確讀數。SCD4x係列非常適合用於傳感市場
，如物聯網（IoT）
、汽車、暖通空調
、電器和消費電子產品。

數字孿生三大發展趨勢，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展趨勢，分別是智能化、wulianwanghuaheyingyongguangfanhua。suizheshentoulvtisheng
，tongguoshuziluanshengjishu
，womenkeyigenghaodilijiehezhangwofuzaxitong
，bingtigongyouxiaodeyouhuahejuecezhichi。buguo
，wulunshuziluanshengjishuruhediedaifazhan，qijishukuangjiatixishijiaoweigudingde，libukaiguangfanbujudechuanganqiwangluo。

當然，隨著數字孿生係統複雜度提升，傳感器也要順應這種發展趨勢，向著集成化
、智(zhi)能(neng)化(hua)和(he)小(xiao)型(xing)化(hua)方(fang)向(xiang)不(bu)斷(duan)升(sheng)級(ji)。在(zai)貿(mao)澤(ze)電(dian)子(zi)官(guan)網(wang)上(shang)
，不(bu)僅(jin)能(neng)夠(gou)找(zhao)到(dao)性(xing)能(neng)優(you)秀(xiu)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)，還(hai)有(you)豐(feng)富(fu)的(de)元(yuan)器(qi)件(jian)和(he)方(fang)案(an)可(ke)用(yong)於(yu)數(shu)字(zi)孿(luan)生(sheng)
，加(jia)速(su)大(da)家(jia)的(de)方(fang)案(an)開(kai)發(fa)。

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