应用日益广泛的数字孪生技术
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  左图为天问一号探测火星示意图。

  图片来源:国家航天局

  右图为海尔集团利用数字孪生技术实现工厂的三维可视化。

  2021年5月15日,历经9个多月的长途跋涉,中国火星探测器天问一号成功着陆火星表面,迈出了我国星际探测征程的重要一步。这背后离不开中国航天人的攻坚克难、卓越创新,也离不开数字孪生等一系列先进技术的支撑。

  随着三维建模、工程仿真、物联网、大数据、人工智能、云计算、边缘计算、虚拟现实等技术的广泛应用,人类社会进入三维体验时代。对于产品、装备、产线、工厂、建筑、道路、桥梁,乃至整个城市,都可以建立三维数字化模型。数字模型不仅可以与物理对象形态高度相似,还可以实现性能仿真,几乎做到全要素映射。在物理对象从研发设计、制造建造、服役到报废回收再利用的全生命周期中,可以通过虚实映射来优化设计方案,提升运行效率,监测运行情况,预测潜在故障和事故风险。这种打通物理世界和数字世界,实现虚实融合的复合技术,被称为数字孪生(Digital Twin)。

  从天问一号的星际之旅谈起

  我国自主研制的天问一号火星探测器于2020年7月23日发射升空;经过1次深空机动和4次中途修正,于2021年2月10日成功进入火星轨道;5月15日,天问一号成功穿越火星大气层,着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区;5月22日,“祝融号”火星车驶离着陆平台,到达火星表面,开始了对火星的探测之旅。

  实现这个极其复杂的科学任务,就应用到数字孪生技术。我们知道,开发普通产品时,工程师可以通过实物试验来测试产品性能,修改设计方案,不断迭代优化。而天问一号无法在真实应用场景进行实物试验,因此科学家除了在地面对实物样机进行性能测试之外,还需要对天问一号的各个子系统、从地球飞向火星的轨迹以及火星大气和着陆区环境等建立数字孪生模型。在产品研发过程中进行全数字化仿真,在原型样机制造出来之后进行半实物仿真。所谓半实物仿真,指的是仿真对象是物理实体,而运行环境用软件来模拟。在天问一号飞向太空和着陆火星的过程中,则通过卫星通信传回的实时数据,对其数字孪生模型进行仿真分析,从而判断飞行轨迹和运行状态是否正常,以便及时调控。为了帮助观众更好地理解,电视直播往往也会使用对航天器数字化模型进行运动仿真的视频动画。

  “数字孪生”这一术语最初就应用于航空航天领域,为的是解决航空航天飞行器的健康维护与保障问题。从诞生之初就可以看到,数字孪生是融合了三维建模、仿真与优化、物联网与传感器、人工智能和虚拟现实等多种新兴技术在内的复合技术。数字孪生技术能迅速成为热潮,也源于数字化设计、虚拟仿真和工业互联网等关键技术的蓬勃发展与交叉融合。

  以智能为目标的广泛应用场景

  近年来,数字孪生技术的应用日渐广泛,在智能制造、智能建造、智慧家居、智慧医疗、智慧城市和智慧交通等领域都有广阔的应用场景。

  数字孪生技术应用中关注度最高的是智能制造领域。在制造企业研发新产品时,可以借助产品数字孪生模型来优化设计方案;在工艺规划阶段,可以通过对其数字孪生模型进行检查,确定每个零件是否能够制造出来,零部件在装配时是否相互协调;在制造过程中,可以建立生产设备、产线、车间,乃至整个工厂的数字孪生模型,通过采集和分析制造数据,实现高效排产,提高设备利用率,及时发现生产质量问题;在产品服役阶段,可以通过安装视觉、温湿度、压力、振动、位移、速度等各类传感器来监测其运行状况,提升产品运行绩效,进行故障预测和预测性维修维护。

  数字孪生技术在产品的运行监控和智能运维,工厂运行状态的实时模拟和远程监控,以及生产线虚拟调试、机电软一体化复杂产品研发等方面,正在给制造业创造巨大价值。三一重工利用数字孪生技术结合售后服务系统,使得工程师平均响应时间从300分钟缩短到15分钟,一次性修复率从75%提升到92%。海尔集团利用数字孪生技术实现了工厂的三维可视化,可以方便查看设备的产量、质量和设备维护情况,及时排查故障。

  很多制造企业都在建设能够生产和装配多种变型产品的柔性自动化产线,涉及各种智能装备如工业机器人、无人引导小车的集成应用。应用数字孪生技术可以在设备尚未安装之前就完成虚拟调试,并对客户进行远程培训。虚拟调试通过后,再在实际产线进行联调,这样就大大缩短产线交付使用的时间。广汽集团乘用车项目应用虚拟调试技术,就将现场调试时间由15天减至5天。

  在进行复杂的医学手术时,可以对病灶建立数字孪生模型,通过仿真确定合理的手术方案,医学专家还可以远程对数字孪生模型进行实时操作,指导现场医生完成手术。2019年7月17日,位于湖北武汉的华中科技大学协和医院叶哲伟教授团队,通过采集患者相关部位软硬组织的数字化信息构建数字孪生模型,指导600公里外的恩施咸丰县人民医院的医生成功完成骨科手术。

  在智慧城市建设过程中,通过数字孪生技术建立整个城市建筑和各种地下管网的数字孪生模型,可以更有效地对城市进行管理,提高公共服务设施和道路规划、排涝、防灾、垃圾处理及新能源开发利用的能力,改善居民生活质量。

  助力制造强国和数字中国建设

  当前,人们对于数字孪生技术还存在一些模糊认识。需要明确的是:数字孪生不只是几何形态的,更是物理形态的;不只是静态的,更是动态的;不只是对象的,更是环境的、系统的。数字孪生可以仿真人在实际问题中感知不到的某些环境。如车联网环境下,不能只涉及汽车的机械及其移动问题,还需要考虑无线通信、传感、路况等复杂环境。数字孪生也不仅仅针对产品,还针对使用者。仍以自动驾驶为例,除了车的数字孪生模型,还需建立驾驶者数字孪生模型,以便在困难情况下基于特定的驾驶者行为反应,进一步调整驾车效果。

  总之,数字孪生体不仅是物理实体的镜像,更要实现与物理实体在全生命周期的共生。如果只是建立了数字化样机,却没有实现数字模型与其物理对象之间的交互或共生,就不能称为数字孪生。要想释放数字孪生的价值,整合数字孪生生态系统中的所有数据和模型就非常必要。构建数字孪生涉及多个领域的技术问题,如构建模型、数据传递、服务接口、连接识别、部署机制等,只有形成健全的生态系统,产业链上下游协同合作,才能达到数字孪生体与物理实体的“共生”。

  当前,正处于一个利用信息化技术促进产业变革的时代。数字孪生集合各类新兴技术,将数字世界与物理世界相融合,为工业设备等提供完整的生命周期数据,逐渐成为智能制造等行业的重要应用趋势,也成为数字化转型的基础设施。数字孪生技术推动着技术创新和产业革新,推动更智能、更绿色、更安全的可持续发展,将在我国建设制造强国和数字中国的进程中发挥重要作用。

  (李培根 黄 培 作者分别为中国工程院院士、中国人工智能学会智能制造专业委员会副主任)

  推荐读物:

  《智能制造概论》:李培根、高亮编著;清华大学出版社出版。

  《数字孪生实战:基于模型的数字化企业(MBE)》:梁乃明、方志刚、李荣跃、高岩松等编著;机械工业出版社出版。

  《数字基建:通向数字孪生世界的迁徙之路》:安筱鹏、肖利华编著;电子工业出版社出版。

  制图:赵偲汝


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