【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。

數shu字zi孿luan生sheng的de目mu標biao是shi提ti供gong一yi個ge用yong於yu實shi際ji係xi統tong優you化hua和he決jue策ce支zhi持chi的de全quan新xin方fang式shi，物wu理li世shi界jie的de實shi時shi數shu據ju是shi其qi做zuo決jue策ce的de主zhu要yao依yi據ju。因yin而er，幫bang助zhu係xi統tong構gou建jian自zi我wo感gan知zhi能neng力li的de傳chuan感gan器qi在zai數shu字zi孿luan生sheng係xi統tong中zhong扮ban演yan著zhe重zhong要yao的de角jiao色se，這zhe也ye是shi貿mao澤ze電dian子zi攜xie手shou原yuan廠chang賦fu能neng數shu字zi孿luan生sheng發fa展zhan的de方fang式shi之zhi一yi。

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。

zhunquexingyechengzhiweibaozhenxing，zheyitexingyaoqiushuziluanshengxitonghuoqudaodeshuzishizhenshizhunquede
，zhegeshujuyuejingzhun，namexunimoxinghewulishitidejiejinxingyueqiang。zaiciguochengzhong，bujinshiyaozaixitongzhonggoujiangegeshebei
、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

上shang文wen中zhong我wo們men主zhu要yao討tao論lun了le數shu字zi孿luan生sheng的de屬shu性xing和he價jia值zhi，接jie下xia來lai我wo們men看kan看kan如ru何he具ju體ti地di實shi施shi數shu字zi孿luan生sheng。下xia圖tu是shi中zhong國guo電dian力li科ke學xue研yan究jiu院yuan人ren工gong智zhi能neng應ying用yong研yan究jiu所suo分fen享xiang的de一yi張zhang數shu字zi孿luan生sheng應ying用yong框kuang架jia圖tu，能neng夠gou看kan到dao
，在zai物wu理li對dui象xiang之zhi上shang
，數shu字zi孿luan生sheng係xi統tong包bao括kuo感gan知zhi
、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、物(wu)聯(lian)網(wang)化(hua)和(he)應(ying)用(yong)廣(guang)泛(fan)化(hua)。隨(sui)著(zhe)滲(shen)透(tou)率(lv)提(ti)升(sheng)，通(tong)過(guo)數(shu)字(zi)孿(luan)生(sheng)技(ji)術(shu)
，我(wo)們(men)可(ke)以(yi)更(geng)好(hao)地(di)理(li)解(jie)和(he)掌(zhang)握(wo)複(fu)雜(za)係(xi)統(tong)，並(bing)提(ti)供(gong)有(you)效(xiao)的(de)優(you)化(hua)和(he)決(jue)策(ce)支(zhi)持(chi)。不(bu)過(guo)，無(wu)論(lun)數(shu)字(zi)孿(luan)生(sheng)技(ji)術(shu)如(ru)何(he)迭(die)代(dai)發(fa)展(zhan)，其(qi)技(ji)術(shu)框(kuang)架(jia)體(ti)係(xi)是(shi)較(jiao)為(wei)固(gu)定(ding)的(de)，離(li)不(bu)開(kai)廣(guang)泛(fan)布(bu)局(ju)的(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)網(wang)絡(luo)。

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
、zhinenghuahexiaoxinghuafangxiangbuduanshengji。zaimaozedianziguanwangshang，bujinnenggouzhaodaoxingnengyouxiudechuanganqi，haiyoufengfudeyuanqijianhefangankeyongyushuziluansheng
，jiasudajiadefangankaifa。

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題
，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

利用單片機直接檢測車模壓過

測試四個光電檢測速度

高集成度智能柵極驅動光耦通吃MOSFET和IGBT

不了解不間斷電源 (UPS) ？這篇文章帶你一覽UPS設計要項！

77GHz雷達傳感器在汽車和工業中的應用