“应用日益广泛的数字孪生技术”

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左图为天问1号火星探测的示意图。

图片来源:国家航天局

右图为海尔集团利用数字双技术实现工厂的三维可视化。

2021年5月15日，经过9个多月的长途跋涉，中国火星探测器天问1号成功着陆火星表面，迈出了我国星际探测征兵的重要一步。 这背后离不开中国航天人的难关、卓越的创新，也离不开数字双胞胎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，人类社会进入了三维体验时代 可以对产品、装备、生产线、工厂、建筑、道路、桥梁乃至整个城市建立三维数字化模型。 数字模型不仅与物理对象的形态高度相似，而且还可以实现性能仿真，几乎可以进行全要素映射。 在物理对象从研发设计、制造建设、服役到报废循环的整个生命周期中，可以通过虚实映射来优化设计方案，提高运行效率，监测运行情况，预测潜在的故障和事故风险。 这种通过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双胞胎( digital twin )。

从天问一号的星际旅行开始

我国自主开发的天问1号火星探测器于年7月23日上升空； 经过一次深度空机动和四次中途修正，于2021年2月10日成功进入火星轨道； 5月15日，天问1号穿越火星大气层，降落在火星乌托邦平原南部的预备着陆区。 5月22日，“祝融号”火星车驶离着陆平台，到达火星表面，开始火星探测之旅。

实现这一极其繁多的科学任务，将应用于数字双技术。 我们知道，在开发普通产品时，工程师可以通过实物试验测试产品性能，修订设计方案，不断迭代优化。 天问1号不能在实际的应用场景中进行实物实验。 因为这位科学家除了在地面上对实物原型进行性能测试外，还需要在每个天问1号子系统上，就从地球飞向火星的轨迹、火星大气和着陆区的环境等建立数字双胎模型。 在产品开发过程中进行全数字模拟，原型样机制造完毕后，进行半实物模拟。 半实物仿真是指模拟对象为物理实体，运行环境用软件进行模拟。 天问1号以太空号飞往着陆火星期间，利用卫星通信返回的实时数据，对其数字双胎模型进行模拟分解，以评估飞行轨迹和运行状态是否正常，并能及时进行控制。 为了让观众更好地理解，电视广播也大多采用对航天器数字化模型进行运动模拟的视频动画。

“数字双胞胎”一词从一开始就应用于航空空航天行业，是为了处理航空空宇航员的健康维护和保障问题。 从诞生之初就可以看出，数字双胞胎是融合了三维建模、仿真与优化、物联网与传感器、人工智能与虚拟现实等多种新兴技术的复合技术。 数字双技术之所以迅速兴起，也源于数字设计、虚拟仿真、产业网络等关键技术的繁荣和交叉融合。

以智能为目标的广泛的APP场景

近年来，数字双技术的应用越来越广泛，在智能制造、智能建设、智能家庭、智慧医疗、智慧城市和智慧交通等行业有着广泛的应用场景。

在数字化双技术APP应用中，关注度最高的是智能制造行业。 制造公司开发新产品时，可以利用产品的数字双胎模型优化设计方案； 在工艺规划阶段，通过检测其数字双胎模型，可以明确各部件能否制造，部件在装配时是否相互协调，在制造过程中，建立了生产设备、生产线、工厂乃至整个工厂的数字双胎模型， 在产品服役阶段，通过安装视觉、温湿度、压力、振动、位移、速度等各种传感器可以监测其运行情况，提高产品运行成绩，进行故障预测和预测性维护。

数字双技术在产品运行监控和智能运维、工厂运行状态实时仿真和远程监控、以及生产线虚拟调试、机电软一体化多为杂品研发等方面，为制造业创造了巨大的价值。 三一重工将数字双技术与售后服务系统结合起来，使工程师的平均响应时间从300分钟缩短到15分钟，使一次重复修复率从75%提高到92%。 海尔集团利用数字双技术实现工厂的三维可视化，方便确认设备的产量、质量和设备的维护情况，能够及时排除故障。

许多制造公司建立了能够生产和组装多种变形产品的柔性自动化生产线，涉及工业机器人、无人制导小车等多种智能装备的集成应用。 APP数字双技术可以在设备还没有安装之前完成虚拟调试，对顾客进行远程培训。 调试通过后，通过在实际生产线上进行调整，可以大幅缩短生产线交付所需的时间。 广汽集团轿车项目应用虚拟调试技术，将现场调试时间从15日缩短为5日。

在进行多而复杂的医学手术时，可以对病灶建立数字双胎模型，通过仿真明确合理的手术方案，医学专家也可以远程实时操作数字双胎模型，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的叶哲伟教授团队，收集患者相关部位硬软组织的数字新闻建立数字双胎模型，指导600公里外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，通过数字双人技术建立城市整体建筑和各种地下管网的数字双胎模式，更有效地管理城市，提高公共服务设施和道路规划、排水、防灾、垃圾解决和新能源开发利用的能力，

帮助强国制造和数字中国的建设

目前，人们对数字双人技术还有些模糊的认识。 必须确定的是，数字双胎不仅是几何形态的，也是物理形态的； 不是静态的而是动态的。不仅是对象的，也是环境的、系统性的。 数字双胞胎可以模拟一些在实际问题中无法感知的环境。 在远程信息处理环境下，不仅要考虑汽车的机械及其移动问题，还需要考虑无线通信、传感、道路状况等许多复杂的环境。 数字双胞胎不仅与产品进行比较，也与招聘者进行比较。 以自动驾驶为例，需要建立驾驶员的数字双胞胎模型，以不仅根据车的数字双胞胎模型，还根据困难情况下特定驾驶员的行为反应进一步调整驾驶效果。

总之，数字双胎不仅要实现与物理实体的镜像，还必须实现与物理实体在整个生命周期中的共生。 如果只是建立了数字原型，没有实现数字模型与其物理对象的相互作用和共生，就不能说是数字双胞胎。 为了释放数字双胞胎的价值，必须整合数字双胞胎生态系统的所有数据和模型。 数字双胎的构建涉及许多行业的技术问题，如模型构建、数据传播、服务接口、连接识别、配置机制等，形成健全的生态系统，产业链上下游合作，才能实现数字双胎与物理实体的“共生”

现在是利用新闻化技术促进产业变革的时代。 数字双胎聚集了各类新兴技术，融合了数字世界和物理世界，为工业设备等提供了完美的生命周期数据，正在成为智能制造等领域的重要应用趋势，也成为数字化转型的基础设施。 数字双科技将推动技术创新和产业改革创新，推动更智能、更绿色、更安全的可持续快速发展，在建设我国制造强国和数字中国的过程中发挥重要意义。

(李培根黄培作者分别是中国工程院院士、中国人工智能学会智能制造专业委员会副主任(

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《智能制造概论》:李培根，亮点篇； 清华大学出版社出版。

《数字双胞胎实战:基于模型的数字化公司( mbe )》:梁乃明、方志刚、李荣跃、高岩松等针织机械工业出版社出版。

《数字基础设施:数字双胞胎走向世界之路》:安筱鹏、肖利华编； 电子工业出版社出版。

制图:赵偌汝

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来源：企业信息港