当前，世界正处于百年未有之大变局，经济数字化转型已是全球经济发展的热点，美 、英、欧盟等纷纷提出数字经济战略。随着物联网、大数据、云计算、人工智能等新技术与国民经济各产业融合不断深化，有力推动着各产业数字化、网络化、智能化发展进程，成为我国经济社会发展变革的强大动力。目前来看，企业数字化转型已经不是一个可选择的方向，而是势在必行，不能加快数字化转型的企业将在数字化的浪潮中被淹没。想要达到真正的数字化，“数字孪生”是其必经之路。数字孪生这个概念是2010年由美国国家航空航天局(NASA)首次书面提出，并详细说明了对于航天器数字孪生的定义和功能。到2014 年 美国密歇根大学的Michael Grieves教授发表了关于数字孪生的白皮书，他将数字孪生的基本概念模型概括为三个主要部分：实体空间中的物理产品、虚拟空间中的虚拟产品和将虚拟产品和物理产品联系在一起的数据和信息的连接。截止到目前为止，数字孪生的定义还未统一，不同科研机构、企业和学者也提出了自己对数字孪生的理解。企业对于数字孪生的定义是更符合企业发展的需求，其定义为：用于理解、预测和优化绩效以实现改善的业务成果。这可以持续提高效率，最大程度地降低故障率，缩短开发周期，并开辟新的商机。换句话说，它可以创造持久的竞争优势。现阶段，数字孪生的技术应用逐步向工业生产的各个领域渗透，除了航空航天领域，数字孪生还被应用于电力、船舶、城市管理、农业、建筑、制造、石油天然气、健康医疗、环境保护等行业。许多著名企业（如空客、洛克希德马丁、西门子等）与组织（如 Gartner、德勤、中国科协智能制造协会）对数字孪生给予了高度重视，并且开始探索基于数字孪生的智能生产新模式。其中Gartner 更是连续三年将数字孪生列为2017年至2019年间具有战略价值的10大技术趋势之一。2019年，Gartner认为数字孪生处于期望膨胀期顶峰，将在未来5年将产生破坏性创新。其对美国、德国、中国与日本200余家已部署物联网的企业调研结果显示，当前，48%的企业已经采用或计划应用数字孪生。美国是最早开展数字孪生研究与应用的国家，早期以 NASA、美国空军研究实验室等为代表的研究机构主要将数字孪生应用于航空航天的健康监测、运行维护、寿命预测等方面。近些年佐治亚理工学院、 国家标准技术研究所、宾夕法尼亚州立大学等研究机构在智能工厂、智慧城市、3D 打印等方面开展了应用探索。2017-2018年，德国认为工业4.0是一个发展方向或战略，德国提出工业 4.0 后，一直在论证和寻求能让工业4.0落地的智能技术。数字孪生相对其他概念更易落地工程实施，正好契合德国工业4.0需求。以西门子、亚琛工业大学为代表的工业4.0主推和实施机构，开展了大量数字孪生研究与实践。在车辆领域，西门子通过数字孪生将现实世界和虚拟世界无缝融合，通过产品的数字孪生，制造商可以对产品进行数字化设计、仿真和验证，包括机械以及其他物理特性，并且将电器和电子系统一体化集成。除此之外，电子、智慧医疗、智慧水务等领域，西门子都进行了数字孪生的研究与实践。2019年，中国迎头赶上，与美国、德国相比，数字孪生在中国的研究和受关注相对较晚。2017年1月《计算机集成制造系统》期刊上发表的“数字孪生车间：一种未来车间运行新模式”论文，得到国内学术界尤其是青年学者对数字孪生的关注。之后随着工信部“智能制造综合标准化与新模式应用”和“工业互联网创新发展工程”专项，科技部“网络化协同制造与智能工厂”等国家层面的专项实施，更是有力促进了数字孪生的发展。目前国内也在工业生产领域在进行数字孪生的研究与实践，尤其值得一提的是中国“智慧城市”的发展。中国以“智慧城市”和“新基建”为代表的建设模式虽然起步较晚，但爆发速度前所未有。目前全球近1000个提出智慧化发展的城市中，有近500个中国城市，占全球数量的48%。这为中国下一阶段的城市和基础设施发展奠定了基础。2019年中国新型智慧城市规模超过9000亿元，未来几年将保持较快速度增长。从各国的先进制造业国家发展战略演变角度来看，无论是美国从“去工业化”到“再工业化”，到“以软带硬”的“工业互联网”战略，再到美国国家先进制造战略计划；德国从机械化、电气化、信息化，到“以硬带软”的“工业4.0”的制造业创新发展战略；还是中国从“信息化带动工业化，工业化促进信息化”，到两化融合和两化深度融合，再到“中国制造2025”的融合演进的制造强国发展战略，都期望通过信息物理融合来实现智能制造。数字孪生是实现信息物理融合的有效手段。一方面，数字孪生能够支持制造的物理世界与信息世界之间的虚实映射与双向交互，从而形成“数据感知-实时分析-智能决策-精准执行”实时智能闭环；另一方面，数字孪生能够将运行状态、环境变化、突发扰动等物理实况数据与仿真预测、统计分析、领域知识等信息空间数据进行全面交互与深度融合，从而增强制造的物理世界与信息世界的同步性与一致性。那么企业在应用数字孪生之前，面临的首要决策问题是行业或企业是否需要用数字孪生？是否适用数字孪生？是否值得使用数字孪生？我们列举出6点数字孪生的适用准则:
水是人类赖于生存的基本，也是城市发展最重要的基础资源。随着我国城市化趋势以及在工业化进程中能源与资源矛盾的加剧，水行业原有的工业模式不同程度都面临着自动化基础薄弱、数据碎片化难于梳理、运营成本无法精细控制、以高能耗为代价等诸多弊病，让水行业的挑战与压力与日俱增。水企急需通过数字化转型，提高水资源利用效率，合理利用污水再生资源，减少水资源浪费，以及加强预防性维护，为国计民生提供安全可靠的供水保障，助力中国经济。2021年3月12日发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲要》从国家层面对数字化和水务行业提出了具体要求。《纲要》明确指出：加快推动数字产业化，推动数据赋能全产业链协同转型；加快发展方式绿色转型，全面提高资源利用效率，实施国家节水行动，建立水资源刚性约束制度，强化农业节水增效、工业节水减排和城镇节水降损，鼓励再生水利用，单位 GDP 用水量下降 16% 左右。在“十四五规划”和“碳中和”目标的宏观愿景之下，水企如何在完成自身数字化转型的同时，实现节能环保的绿色可持续发展，以达到社会效益和经济效益的双赢，这就要求水企必须不断改善水务基础设施、提升运营管理效率、提升客户服务水平，使水务企业从粗放、低效、分散的运营模式，转变为高效、精细管理、规模化的运营模式，提升水企的盈利能力。而数字孪生技术正是能达到这些要求，其能够突破许多物理条件的限制，通过数据和模型双驱动的仿真、预测、监控、优化和控制，实现服务的持续创新、需求的即时响应和产业的升级优化。基于模型、数据和服务等各方面的优势，数字孪生正在成为提高质量、增加效率、降低成本、减少损失、保障安全、节能减排的关键技术。由此看来，数字孪生技术在水行业是具有无限潜力的。金科环境在水处理行业的多年沉淀，打造出多个高品质项目，获得业内高度好评。更是在数字化的创新上一直走在行业前列，金科环境自主研发的“水厂双胞胎®”建设运营管理平台，是在BIM设计的基础上，依托数字孪生技术、嵌入式开发技术及互联网云技术自主研发而成的数字化、可视化管理工具。它融入了金科环境十余年的建设和运营管理经验，可以实现水厂设计、建设、运营各个阶段实体厂/数字厂同步数字化实施——所见即所得，让膜水厂建设不再贵、运营不再难！
金科环境水厂双胞胎®
通过BIM设计，以水厂设备为核心业务对象，对水厂管理的主要业务流程进行全量全要素的数据建模，建立水厂的数字镜像，即数字孪生体。以实时数据采集为基础，自控应用层为衔接，数据分析处理为决策依据，三维可视化为界面，为用户提供了所见即所管理的高效管理平台。
另外，平台的业务功能界面主要围绕着数字孪生体进行设计与开发，并与金科多年积累的运营管理经验有机结合，将静态的BIM数据变成动态的数字化业务载体，从而提供了非常丰富的数字化业务模式创新空间。
结合数据采集与传输技术，将设备物理实体与其数字镜像进行连通，实现高实时反馈的数字孪生体，让客户在平台的数字实景中查看水厂的全貌以及设备的实时运行情况。
金科环境的数字孪生体现在水厂的全生命周期。从项目建设阶段开始，水厂的设计、采购、施工、调试、运行到维修保养，全生命周期中的各个业务对象、流程和规则都可以通过数据建模进行数字化管理。一方面在各个业务环节的管理工作中减少人为错误，提高效率；另一方面将各个环节的数据记录连通，形成数据闭环，为智能模块在数据中挖掘价值提供了结构化基础。水厂及设备的全生命周期数字化管理，是金科水厂双胞胎®建设运营管理平台的核心组成部分，符合金科的产品化理念，为深度水处理和污废水商业化领域，提供质量更好、成本更低、服务更优的产品化解决方案。
企业传统业务的数字化转型之终极目标是实现完全的智能化，达到理想的智能化水平有很远的路要走，金科水厂双胞胎®建设运营管理平台已经开展了多年的相关产品化研究和工作积累。例如系统中工艺诊断优化功能，通过直观的图形化配置界面，将专家经验数字化的过程，使系统具备专家的决策能力，在系统运行到某组特定状态组合下，给出相关的报警和预案，有利地提高了水厂运维管理工作的质量和效率。系统通过对实时数据的长期记录，对维修保养操作的数据记录，对设备操作工艺指令及操作效果反馈的数据记录，积累了海量数据集，可用于训练深度学习算法模型，为进一步趋向智能化提供了前提，并给出务实的解决方案。
水厂双胞胎®
建设运营管理平台应用案例
目前，金科环境在张家港市第四水厂组合纳滤高品质饮用水提标建设工程，唐山南堡污废水资源化项目、无锡锡山再生水项目、唐山蓝荷项目等多个项目中应用水厂双胞胎®建设运营管理平台。利用数字孪生技术的水厂双胞胎®建设运营平台上所部署的水厂现约有30座。此平台保证了水厂的高品质，有助于降低项目建设成本，运维管理简单智能，实现了膜水厂的全生命周期数字化管理，将复杂问题简单化，取代了繁杂的运营管理手册。其中张家港市第四水厂组合纳滤高品质饮用水提标扩建工程，荣获“2022全球水奖-年度最佳水项目”。这是历年来中国唯一获得的全球水奖-年度最佳水项目，是唯一的“中国元素”，创下了全球水奖开设至今的历史之最！唐山南堡污废水资源化项目，入围“2019全球水奖-年度最佳工业水处理项目”，并获得2021年双百跨越“再生水利用标杆污水厂”和“智慧管控标杆污水厂”。这些项目的获奖不仅仅是对项目本身的认可，也是对金科环境能力的认可，对金科环境发展规划与创新方向的认可。随着水行业不断发展，城乡供水一体化，供排水一体化建设，水厂、管网、泵站、蓄水池等越来越分散，人工管理成本越来越高，同时还面临着管理水平参差不齐的挑战。减少水务现场值守人员，降低运行成本，是必然趋势。未来水企的核心竞争力是通过水务物联网获取水网数据，以云计算和大数据分析提供长期决策支持和增值服务，这也是水企拥有核心竞争力的主场。随着“新基建”中 5G、大数据中心、人工智能、工业互联网不断融入数字化水务的各个环节，水行业将进一步迎来发展的“黄金时代”。水行业未来发展的目标是建设智慧水务，数字化转型是达到智慧水务的重要一步。目前，数字化转型已经成为水行业迫在眉睫的一场革命，其重要意义可以等同于水务行业中的“二次工业革命”。在紧跟趋势、韧性成长、实现数字化转型与最终智慧水务的过程中，选择适合自身的数字化解决方案也起着至关重要的作用。金科环境根据水行业需求“量身定做”的水厂双胞胎®建设运营管理平台，是适合我国国情与水行业发展趋势的技术，助力我国水行业的数字化转型、实现最终智慧水务的目标。
【1】中国电子信息产业发展研究院，数字孪生白皮书（2019）
【2】中国电子技术标准研究院，数字孪生应用白皮书（2020）
【3】陈骞，国外数字孪生进展与实践
【4】北京航空航天大学，数字孪生研究组，深度｜数字孪生十问：分析与思考
【5】西门子数字化水务白皮书
【6】物联网世界网，什么是数字孪生技术，它的价值在哪里？
