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通过创建一个船舶的网络物理系统，包含现实世界的信息，可以实现利用船舶结构数字模型同化船上测量数据，高精度地评估船舶的健康状况。船上测量包括遇到波浪的信息、船体张力和船舶在波浪中的运动。
该项目由监测、仿真、完整性评估三个要素组成。其中，监测是使用数据同化方法来开发从有限的测量中评估船体所有零部件的结构响应的技术。在现代船舶试验和船上测量的基础上，发展了能够高效、准确地再现真实世界现象的仿真方法，并得到了验证。
该项目的技术验证是通过在纳什维尔海洋研究所的实际海洋模型盆地的模型转移试验进行的。模型船上安装了数以百计的光纤，如应变测试仪和压力传感器，这为创建数字孪生系统提供了必要的数据。
海上经营者、陆地管理者和船舶设计师可以通过网络再现和共享实际航道中正在行驶的船只。通过基于网络船舶的统计推断方法对船舶进行客观的整体评价，有助于提高海上运输的整体安全水平。
精确的船体结构数字孪生甚至可以从陆地上进行监测，这将使远程和自动操作成为可能。船舶在未来海况下的状态可以被准确预测，并有可能选择更安全的航线和策略。根据数字孪生获得的精确载荷进行船舶设计和管理，还可以解决温室气体的节能再循环和船舶寿命等问题。该项目最终目标是通过基于实时数字船体状态信息的先进数据分析技术，提高船舶的安全性和效率。
案例三：电厂运用数字孪生
迈向清洁和可持续
电厂由粉碎机、锅炉、汽轮机和燃气轮机等大型复杂的发电设备组成。但是这些设备的监控、性能优化和定期维护非常具有挑战性。鉴于电厂运营的复杂性和规模，实时做出决策势在必行，因为延误会导致巨大损失和灾难性事故。
数字孪生能复制现实物理系统的行为，同时保持与物理实体系统的实际通信，并提出改进工厂运营的建议。电厂采用的数字孪生模型是基于物理学的预测模型来提高一些复杂过程的准确性，使用过去工厂数据和接受先进算法的训练，以预测当前工厂行为，并做出优化工厂性能的规范性决策。
电厂数字孪生系统原理图
电厂数字孪生的应用如下：
◉ 锅炉数字孪生：一个1000兆瓦机组的锅炉每天消耗近9000吨煤，而提高和保持锅炉的效率可以减少排放。但如何实时确定锅炉的最佳运行设置，以响应燃料特性的变化和波动的电力需求？
锅炉的数字孪生可以检测煤的变化、感知环境条件和电力需求，并确定最佳操作策略，以最大限度地提高热效率并减少锅炉的碳排放。
锅炉数字孪生每年可减少8~10%的氮氧化物的排放，并减少约100万美元的煤炭消耗。同时，锅炉数字孪生也减少了排放控制设备的负载、试剂/化学品的使用，降低了辅助功耗。
◉ 联合循环燃气轮机数字孪生：联合循环发电厂属于更清洁的化石燃料发电厂，其波动的电力需求使其能以较低的热效率运行，但容易受到过程故障的影响。
联合循环燃气轮机数字孪生可以学习过程动态并实时推荐最佳设置，提高热效率。此外，通过早期故障检测喝动态根本原因跟新，联合循环燃气轮机数字孪生可以防止灾难性故障的发生。
◉ 烟气脱硫数字孪生：在美国，燃煤发电产生了大量的SO2，因此烟气脱硫装置势在必行。但由于电力和化学品的要求，烟气脱硫操作非常昂贵。
挑战在于：如何调整烟气脱硫的运行以降低泵送成本和石灰石用量，同时不影响其SOx去除效率，并保持罐中石灰石浆液的PH值？
烟气脱硫数字孪生可以确定提供一致的SOx去除效率所需的最佳操作条件。对于一个1000兆瓦的工厂，这种实时优化每年可节省3000万美元的整体能源和材料成本。
如今，越来越多的发电厂接受数字孪生技术，并从中获益：减少碳足迹和排放量，同时提高全球能源的安全性和可用性。
案例四：挪威公共道路管理局
利用数字孪生实现桥梁维护维修
挪威的桥梁拥有出色的安全记录，但挪威南北主干道沿线拥有近80年历史的Stavabrua大桥一直是挪威公共道路管理局工程师关注的焦点。与世界上许多古老的桥梁一样，这座混凝土拱桥的最初的建造量和载荷不到今天的一半。该桥梁需要定期维护维修。
挪威公共道路管理局采用数字孪生技术，预测桥梁的剩余寿命，并每5年进行一次例行检查。在普通的例行检查中，有很多问题是在检查中无法发现的，比如桥梁的完整性、动态变化，以及不同载荷对桥梁的影响。
通过运用数字孪生技术，安装物联网传感器，获取并收集传感器数据，然后将这些数据直接反馈到系统中，以监控桥梁的整体活动。如果桥梁动态偏离预设阈值，数字孪生系统将发出警报。
例如，2021年4月7日，挪威Stavabrua大桥发出了此类警报，挪威公共道路管理局得以迅速转移受影响地区的交通，并进行维修更换工作。由此可见，数字孪生技术非常重要，能够在桥梁出现危机情况时，检测、理解并及时反馈。
当然，桥梁维护维修不仅仅是挪威的问题，在德国超过12%的桥梁状况不佳，在美国不佳数量超过三分之一，挪威公共道路管理局希望通过对关键基础设施的实时监控，提高桥梁使用的安全性，还降低维护维修成本。
众所周知，做好预防最具成本效益。挪威公共道路管理局已经在桥梁中推行数字孪生的应用，未来还会应用在隧道以及整个道路系统上，通过依靠人、传感器系统和软件系统中的知识和数据，让维护维修工作具备前瞻性、预测性。
案例五：110千伏数字孪生变电站
让变电站充满智慧
为了改善临港新片区电网结构，解决配电网的薄弱环节，国网上海浦东供电公司拟在临港新建马厂、博艺、洋山、顺浩、浩通、春景、鹏翔、川桤等共计8座110千伏变电站，加快临港新片区110千伏双侧链式电网构建。马厂站已经于2019年10月完成送电，博艺站紧随其后。
作为第一座试点变电站，博艺站从建设之初就以“数字孪生变电站”为建设理念，在打造的三维变电站模型基础上，融入实体变电站运行中的动态信息，并在变电站设计之初就以移交运行使用的标准进行建造、验收、投运，在投运后可以同步显示实体变电站的所有信息。
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