應用日益廣泛的數(shù)字孿生技術
2021年5月15日，歷經9個多月的長途跋涉，中國火星探測器天問一號成功著陸火星表面，邁出了我國星際探測征程的重要一步。這背后離不開中國航天人的攻堅克難、卓越創(chuàng)新，也離不開數(shù)字孿生等一系列先進技術的支撐。
隨著三維建模、工程仿真、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、邊緣計算、虛擬現(xiàn)實等技術的廣泛應用，人類社會進入三維體驗時代。對于產品、裝備、產線、工廠、建筑、道路、橋梁，乃至整個城市，都可以建立三維數(shù)字化模型。數(shù)字模型不僅可以與物理對象形態(tài)高度相似，還可以實現(xiàn)性能仿真，幾乎做到全要素映射。在物理對象從研發(fā)設計、制造建造、服役到報廢回收再利用的全生命周期中，可以通過虛實映射來優(yōu)化設計方案，提升運行效率，監(jiān)測運行情況，預測潛在故障和事故風險。這種打通物理世界和數(shù)字世界，實現(xiàn)虛實融合的復合技術，被稱為數(shù)字孿生（Digital Twin）。
從天問一號的星際之旅談起
我國自主研制的天問一號火星探測器于2020年7月23日發(fā)射升空；經過1次深空機動和4次中途修正，于2021年2月10日成功進入火星軌道；5月15日，天問一號成功穿越火星大氣層，著陸于火星烏托邦平原南部預選著陸區(qū)；5月22日，“祝融號”火星車駛離著陸平臺，到達火星表面，開始了對火星的探測之旅。
實現(xiàn)這個極其復雜的科學任務，就應用到數(shù)字孿生技術。我們知道，開發(fā)普通產品時，工程師可以通過實物試驗來測試產品性能，修改設計方案，不斷迭代優(yōu)化。而天問一號無法在真實應用場景進行實物試驗，因此科學家除了在地面對實物樣機進行性能測試之外，還需要對天問一號的各個子系統(tǒng)、從地球飛向火星的軌跡以及火星大氣和著陸區(qū)環(huán)境等建立數(shù)字孿生模型。在產品研發(fā)過程中進行全數(shù)字化仿真，在原型樣機制造出來之后進行半實物仿真。所謂半實物仿真，指的是仿真對象是物理實體，而運行環(huán)境用軟件來模擬。在天問一號飛向太空和著陸火星的過程中，則通過衛(wèi)星通信傳回的實時數(shù)據(jù)，對其數(shù)字孿生模型進行仿真分析，從而判斷飛行軌跡和運行狀態(tài)是否正常，以便及時調控。為了幫助觀眾更好地理解，電視直播往往也會使用對航天器數(shù)字化模型進行運動仿真的視頻動畫。
“數(shù)字孿生”這一術語最初就應用于航空航天領域，為的是解決航空航天飛行器的健康維護與保障問題。從誕生之初就可以看到，數(shù)字孿生是融合了三維建模、仿真與優(yōu)化、物聯(lián)網(wǎng)與傳感器、人工智能和虛擬現(xiàn)實等多種新興技術在內的復合技術。數(shù)字孿生技術能迅速成為熱潮，也源于數(shù)字化設計、虛擬仿真和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等關鍵技術的蓬勃發(fā)展與交叉融合。
以智能為目標的廣泛應用場景
近年來，數(shù)字孿生技術的應用日漸廣泛，在智能制造、智能建造、智慧家居、智慧醫(yī)療、智慧城市和智慧交通等領域都有廣闊的應用場景。
數(shù)字孿生技術應用中關注度最高的是智能制造領域。在制造企業(yè)研發(fā)新產品時，可以借助產品數(shù)字孿生模型來優(yōu)化設計方案；在工藝規(guī)劃階段，可以通過對其數(shù)字孿生模型進行檢查，確定每個零件是否能夠制造出來，零部件在裝配時是否相互協(xié)調；在制造過程中，可以建立生產設備、產線、車間，乃至整個工廠的數(shù)字孿生模型，通過采集和分析制造數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高效排產，提高設備利用率，及時發(fā)現(xiàn)生產質量問題；在產品服役階段，可以通過安裝視覺、溫濕度、壓力、振動、位移、速度等各類傳感器來監(jiān)測其運行狀況，提升產品運行績效，進行故障預測和預測性維修維護。
數(shù)字孿生技術在產品的運行監(jiān)控和智能運維，工廠運行狀態(tài)的實時模擬和遠程監(jiān)控，以及生產線虛擬調試、機電軟一體化復雜產品研發(fā)等方面，正在給制造業(yè)創(chuàng)造巨大價值。三一重工利用數(shù)字孿生技術結合售后服務系統(tǒng)，使得工程師平均響應時間從300分鐘縮短到15分鐘，一次性修復率從75%提升到92%。海爾集團利用數(shù)字孿生技術實現(xiàn)了工廠的三維可視化，可以方便查看設備的產量、質量和設備維護情況，及時排查故障。
很多制造企業(yè)都在建設能夠生產和裝配多種變型產品的柔性自動化產線，涉及各種智能裝備如工業(yè)機器人、無人引導小車的集成應用。應用數(shù)字孿生技術可以在設備尚未安裝之前就完成虛擬調試，并對客戶進行遠程培訓。虛擬調試通過后，再在實際產線進行聯(lián)調，這樣就大大縮短產線交付使用的時間。廣汽集團乘用車項目應用虛擬調試技術，就將現(xiàn)場調試時間由15天減至5天。
在進行復雜的醫(yī)學手術時，可以對病灶建立數(shù)字孿生模型，通過仿真確定合理的手術方案，醫(yī)學專家還可以遠程對數(shù)字孿生模型進行實時操作，指導現(xiàn)場醫(yī)生完成手術。2019年7月17日，位于湖北武漢的華中科技大學協(xié)和醫(yī)院葉哲偉教授團隊，通過采集患者相關部位軟硬組織的數(shù)字化信息構建數(shù)字孿生模型，指導600公里外的恩施咸豐縣人民醫(yī)院的醫(yī)生成功完成骨科手術。
在智慧城市建設過程中，通過數(shù)字孿生技術建立整個城市建筑和各種地下管網(wǎng)的數(shù)字孿生模型，可以更有效地對城市進行管理，提高公共服務設施和道路規(guī)劃、排澇、防災、垃圾處理及新能源開發(fā)利用的能力，改善居民生活質量。
助力制造強國和數(shù)字中國建設
當前，人們對于數(shù)字孿生技術還存在一些模糊認識。需要明確的是：數(shù)字孿生不只是幾何形態(tài)的，更是物理形態(tài)的；不只是靜態(tài)的，更是動態(tài)的；不只是對象的，更是環(huán)境的、系統(tǒng)的。數(shù)字孿生可以仿真人在實際問題中感知不到的某些環(huán)境。如車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，不能只涉及汽車的機械及其移動問題，還需要考慮無線通信、傳感、路況等復雜環(huán)境。數(shù)字孿生也不僅僅針對產品，還針對使用者。仍以自動駕駛為例，除了車的數(shù)字孿生模型，還需建立駕駛者數(shù)字孿生模型，以便在困難情況下基于特定的駕駛者行為反應，進一步調整駕車效果。
總之，數(shù)字孿生體不僅是物理實體的鏡像，更要實現(xiàn)與物理實體在全生命周期的共生。如果只是建立了數(shù)字化樣機，卻沒有實現(xiàn)數(shù)字模型與其物理對象之間的交互或共生，就不能稱為數(shù)字孿生。要想釋放數(shù)字孿生的價值，整合數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)和模型就非常必要。構建數(shù)字孿生涉及多個領域的技術問題，如構建模型、數(shù)據(jù)傳遞、服務接口、連接識別、部署機制等，只有形成健全的生態(tài)系統(tǒng)，產業(yè)鏈上下游協(xié)同合作，才能達到數(shù)字孿生體與物理實體的“共生”。
當前，正處于一個利用信息化技術促進產業(yè)變革的時代。數(shù)字孿生集合各類新興技術，將數(shù)字世界與物理世界相融合，為工業(yè)設備等提供完整的生命周期數(shù)據(jù)，逐漸成為智能制造等行業(yè)的重要應用趨勢，也成為數(shù)字化轉型的基礎設施。數(shù)字孿生技術推動著技術創(chuàng)新和產業(yè)革新，推動更智能、更綠色、更安全的可持續(xù)發(fā)展，將在我國建設制造強國和數(shù)字中國的進程中發(fā)揮重要作用。
