應用日益廣泛的數字孿生技術
圖片來源：國家航天局
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着陸火星表面，邁出了我國星際探測征程的重要一步。這背後離不開中國航天人的攻堅克難、卓越創新，也離不開數字孿生等一系列先進技術的支撐。
隨着三維建模、工程仿真、物聯網、大數據、人工智能、雲計算、邊緣計算、虛擬現實等技術的廣泛應用，人類社會進入三維體驗時代。對於產品、裝備、產線、工廠、建築、道路、橋樑，乃至整個城市，都可以建立三維數字化模型。數字模型不僅可以與物理對象形態高度相似，還可以實現性能仿真，幾乎做到全要素映射。在物理對象從研發設計、製造建造、服役到報廢回收再利用的全生命週期中，可以通過虛實映射來優化設計方案，提升運行效率，監測運行情況，預測潛在故障和事故風險。這種打通物理世界和數字世界，實現虛實融合的複合技術，被稱爲數字孿生（Digital Twin）。
從天問一號的星際之旅談起
我國自主研製的天問一號火星探測器於2020年7月23日發射升空；經過1次深空機動和4次中途修正，於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，着陸於火星烏托邦平原南部預選着陸區；5月22日，“祝融號”火星車駛離着陸平臺，到達火星表面，開始了對火星的探測之旅。
實現這個極其複雜的科學任務，就應用到數字孿生技術。我們知道，開發普通產品時，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、從地球飛向火星的軌跡以及火星大氣和着陸區環境等建立數字孿生模型。在產品研發過程中進行全數字化仿真，在原型樣機制造出來之後進行半實物仿真。所謂半實物仿真，指的是仿真對象是物理實體，而運行環境用軟件來模擬。在天問一號飛向太空和着陸火星的過程中，則通過衛星通信傳回的實時數據，對其數字孿生模型進行仿真分析，從而判斷飛行軌跡和運行狀態是否正常，以便及時調控。爲了幫助觀衆更好地理解，電視直播往往也會使用對航天器數字化模型進行運動仿真的視頻動畫。
“數字孿生”這一術語最初就應用於航空航天領域，爲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，數字孿生是融合了三維建模、仿真與優化、物聯網與傳感器、人工智能和虛擬現實等多種新興技術在內的複合技術。數字孿生技術能迅速成爲熱潮，也源於數字化設計、虛擬仿真和工業互聯網等關鍵技術的蓬勃發展與交叉融合。
以智能爲目標的廣泛應用場景
近年來，數字孿生技術的應用日漸廣泛，在智能製造、智能建造、智慧家居、智慧醫療、智慧城市和智慧交通等領域都有廣闊的應用場景。
數字孿生技術應用中關注度最高的是智能製造領域。在製造企業研發新產品時，可以藉助產品數字孿生模型來優化設計方案；在工藝規劃階段，可以通過對其數字孿生模型進行檢查，確定每個零件是否能夠製造出來，零部件在裝配時是否相互協調；在製造過程中，可以建立生產設備、產線、車間，乃至整個工廠的數字孿生模型，通過採集和分析製造數據，實現高效排產，提高設備利用率，及時發現生產質量問題；在產品服役階段，可以通過安裝視覺、溫溼度、壓力、振動、位移、速度等各類傳感器來監測其運行狀況，提升產品運行績效，進行故障預測和預測性維修維護。
數字孿生技術在產品的運行監控和智能運維，工廠運行狀態的實時模擬和遠程監控，以及生產線虛擬調試、機電軟一體化複雜產品研發等方面，正在給製造業創造巨大價值。三一重工利用數字孿生技術結合售後服務系統，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%。海爾集團利用數字孿生技術實現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。
很多製造企業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機器人、無人引導小車的集成應用。應用數字孿生技術可以在設備尚未安裝之前就完成虛擬調試，並對客戶進行遠程培訓。虛擬調試通過後，再在實際產線進行聯調，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，就將現場調試時間由15天減至5天。
在進行復雜的醫學手術時，可以對病竈建立數字孿生模型，通過仿真確定合理的手術方案，醫學專家還可以遠程對數字孿生模型進行實時操作，指導現場醫生完成手術。2019年7月17日，位於湖北武漢的華中科技大學協和醫院葉哲偉教授團隊，通過採集患者相關部位軟硬組織的數字化信息構建數字孿生模型，指導600公里外的恩施咸豐縣人民醫院的醫生成功完成骨科手術。
在智慧城市建設過程中，通過數字孿生技術建立整個城市建築和各種地下管網的數字孿生模型，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劃、排澇、防災、垃圾處理及新能源開發利用的能力，改善居民生活質量。
助力製造強國和數字中國建設
當前，人們對於數字孿生技術還存在一些模糊認識。需要明確的是：數字孿生不只是幾何形態的，更是物理形態的；不只是靜態的，更是動態的；不只是對象的，更是環境的、系統的。數字孿生可以仿真人在實際問題中感知不到的某些環境。如車聯網環境下，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、路況等複雜環境。數字孿生也不僅僅針對產品，還針對使用者。仍以自動駕駛爲例，除了車的數字孿生模型，還需建立駕駛者數字孿生模型，以便在困難情況下基於特定的駕駛者行爲反應，進一步調整駕車效果。
總之，數字孿生體不僅是物理實體的鏡像，更要實現與物理實體在全生命週期的共生。如果只是建立了數字化樣機，卻沒有實現數字模型與其物理對象之間的交互或共生，就不能稱爲數字孿生。要想釋放數字孿生的價值，整合數字孿生生態系統中的所有數據和模型就非常必要。構建數字孿生涉及多個領域的技術問題，如構建模型、數據傳遞、服務接口、連接識別、部署機制等，只有形成健全的生態系統，產業鏈上下游協同合作，才能達到數字孿生體與物理實體的“共生”。
當前，正處於一個利用信息化技術促進產業變革的時代。數字孿生集合各類新興技術，將數字世界與物理世界相融合，爲工業設備等提供完整的生命週期數據，逐漸成爲智能製造等行業的重要應用趨勢，也成爲數字化轉型的基礎設施。數字孿生技術推動着技術創新和產業革新，推動更智能、更綠色、更安全的可持續發展，將在我國建設製造強國和數字中國的進程中發揮重要作用。
（李培根 黃 培 作者分別爲中國工程院院士、中國人工智能學會智能製造專業委員會副主任）
推薦讀物：
《數字孿生實戰：基於模型的數字化企業（MBE）》：樑乃明、方誌剛、李榮躍、高巖鬆等編著；機械工業出版社出版。
《數字基建：通向數字孿生世界的遷徙之路》：安筱鵬、肖利華編著；電子工業出版社出版。
製圖：趙偲汝