数字孪生技术未来的应用与发展

 小到一颗螺丝,大到一座城市,数字孪生即将给我们的生活带来一场革命性的巨变。

什么是数字孪生

  

 在《失控玩家》这部电影中,人类可以在数字的虚拟世界中娱乐、工作,甚至恋爱。电影所描述的这些场景算数字孪生吗?

数字孪生技术未来的应用与发展插图

电影《失控玩家》剧照 | 豆瓣电影

  广义来讲,这个电影中描述的场景也算数字孪生的应用。在学术研究或者从工业应用中,数字孪生则是一种技术,或者偏信息类的概念。
  以人为例:数字孪生技术可以根据人类从出生到成长过程中的所有数据,以及其父母的遗传病史等信息建立数字虚拟模型,这个数字模型就相当于人体的数字双胞胎,它可以帮助判断、推演人体未来的健康状况,进而提前干预。数字孪生人具有与人共生的特点,也就是数字孪生中的数字模型,应该与其对应实际人的全生命周期相映射,与人体的各项变化同步更新。
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  数字孪生技术可以作为人的数字虚拟模型 | Pixabay
  数字孪生人技术的目的,并不是在虚拟世界中制造“新人类”,而是利用数字孪生技术向人类提供一些辅助。例如辅助用户进行健康体检、辅助医生进行个性化术前演练、帮助运动员分析如何将动作训练得更完美等。2020年3月20日,牛津大学发表了一篇关于数字孪生在心脏病学理疗方面的论文,该论文表明通过监测、记录心脏的数据,建立心脏的数据模型,在做心脏手术之前,提前在数字孪生心脏上进行预演,制定手术方案,可以提高手术的安全性和准确性。
  数字孪生是借助信息技术,刻画一个跟现实世界实体高度逼真的数字孪生模型,或称为数字孪生体。换言之,数字孪生也就是通过给一个物理对象建立数字化的模型,实现物理对象与数字模型之间数据和信息的交互、联系与反馈的技术。
  数字孪生的起源与发展
  2002年,美国的迈克尔·格里弗斯博士提出用计算机建立一个跟实物完全相同的模型,这是数字孪生概念最早的雏形。
  2010年,美国国家航空航天局利用数字孪生技术极大的降低了航天器的研发成本。波音公司的777客机也是利用数字孪生技术的初期技术开发设计的典型实例。
  波音777客机的整个研发过程没有使用过任何的图纸模型,所涉及的300多万个零部件完全依靠数字孪生技术进行模拟、实验。据报道,该技术帮助波音公司减少了50%的返工量,有效缩短了40%的研发周期。根据有关信息研究机构分析,未来1-2年之内,全世界超过50%的大型工厂将会使用数字孪生技术,并提高近10%的生产效率。
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  波音777客机研发中应用了数字孪生模型 | Pixabay
  这些成功案例验证了数字孪生技术的先进性,推动了数字孪生技术的发展。
  国内数字孪生从无到有
  如今,数字孪生技术已经在国内备受关注,并开始落地生根,但其发展过程可谓是十年磨一剑。
  北京航天航空大学陶飞教授的团队是国内最早一批研究数字孪生技术的学者。到2021年为止,陶飞教授所带领的数字孪生技术团队已经走过了十余年的时光,从理论探索,到技术的攻关,再到实际应用案例的部署和研发,每一步都有一段故事。
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  陶飞教授在2020年的第四届数字孪生与智能制造服务学术会议 | 北京航空航天大学

  2010年,陶飞精心挑选了十几位研究生,决定带领这些年轻人创造中国第一个数字孪生研究小组。经过多年的潜心钻研,陶飞带领团队总结出了第一篇关于数字孪生的论文。但是没想到一个月之后等来的不是发表的喜讯,而是论文被退稿的消息。
  据陶飞教授分析,当时被退稿的原因主要有两个:一个是中国之前在数字孪生领域没有发表任何文章,杂志方可能不认可国内数字孪生的科研水平;第二个就是,很多学术杂志的裁判权掌握在国外学者的手中,而中国想要得到国外的承认,需要更多的质量和数量的变化,需要慢慢打开认知度。
  于是2017年,陶飞决定在国内召开一个数字孪生交流会,希望号召更多的学者加入到数字孪生的研究队伍中。在当时,很多参会的学者对数字孪生技术并不了解,但是这场会议却真正掀起了数字孪生技术在国内的研究浪潮。
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  第一届数字孪生与智能制造服务学术研讨会合影 | BTV创新北京

  随着中国数字孪生队伍的逐渐壮大,陶飞在数字孪生领域也取得了很多的成绩。终于在2019年,世界顶级期刊《Nature》向陶飞的团队发出邀请,请他们写一篇关于数字孪生的评述文章。
  短短几年,中国的数字孪生研究团队从被退稿走向了受邀撰稿。这篇受邀撰稿的文章名叫《Make more digital twins》——做更多的数字孪生,主要内容是讲如何让数字孪生服务于更多的工业领域来助力数字化转型、智能化升级,从而提升全球的制造能力和水平。这篇文章让国际上的一些同行,了解并认可了中国在数字孪生上做的工作。
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  nature网页:Make more digital twins
  在得到认可后,陶飞教授开始迫切希望让数字孪生技术在现实中得到验证、应用。
  2019年某个周五,陶飞教授受邀在武汉的一个会议上介绍数字孪生五纬模型及应用设想。一名来自航天五院的参会者在会后与陶飞教授取得了联系,就数字孪生技术在卫星领域的探索应用展开了交流。两天后,航天院的一名主任工程师带着同事,来到了北航,再次与陶飞教授进行交流。一个星期后,航天五院与陶飞教授就数字孪生技术在卫星领域的应用签订了合同。这也是陶飞教授收到的第一份在数字孪生技术领域应用的合同。
  一年后,在陶飞团队与航天五院专家的不懈努力下,数字孪生技术在卫星总装车间的设计部署及验证上成功落地。陶飞教授实现了自己在数字孪生领域研究上的闭环,也迈出了数字孪生在国内推广应用的第一步。

数字孪生为燃气场站保驾护航

  目前,数字孪生技术在中国已经有了很多的落地案例。例如北京燃气场站,一个能够满足北京市将近200万人口的天然气使用需求的燃气站点就引进了数字孪生技术。
  燃气泄露极易引发爆炸事故,一旦发生会对人民的生命和财产安全造成严重威胁。但在传统的燃气管理系统中,燃气管道一般仅由人工进行巡检,很多隐患并不能被及时被发现。2021年4月,湖北十堰发生的燃气爆炸事故起因就是人工对燃气管道隐患没有排查清楚,导致现场25人死亡。
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  湖北十堰燃气爆照现场 | 凤凰网

  为了减少类似事故的发生,北京燃气场站首次引用了数字孪生技术来为燃气输送安全保驾护航。燃气站对于数字孪生技术的需求主要有两个方面:一是稳定运行,二是安全。北京燃气场站利用数字孪生技术建立了一个“所见即所得”的三维可视化监控系统。这个系统使得站点可以及时了解当前的燃气存量,燃气管道阀门的打开程度,燃气的流量与压力,以及系统内其它的数据。当然,也能监测管道是否有漏气。
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  北京燃气场站实景 | BTV创新北京

  这个可视化监控系统的三维,指的是全天候,全要素和全方位。根据燃气系统的实验模拟显示,管道网中存在许多老鼠能够钻进去,但是人进不去,看不见,也检测不到的位置。而数字孪生技术可以帮助站点实现狭小空间的、地下空间的可视化检测。
  数字孪生技术具有可推演性。在燃气管网的传统运维系统中,通常只有当阀门实际松动漏气时才能发现问题。但是数字孪生系统可以通过监测、采集燃气管道的燃气压力、流速等数据,推演阀门的松动时间,提前派遣人工进行干预,降低事故发生率。这种三维可视化监控系统对于提高整个城市的安全性有着突破性的重大意义。
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  燃气场站的数字孪生模型 | BTV创新北京
  数字孪生技术还具有可追溯性。在数字系统中,所有的设备、操作、动作都会被记录,具有可追溯性。当发生燃气事故后,这些记录可以帮助站点有理有据的分析成因,将将责任制度变得更透明、更科学化,解决了双系统并行时常出现的因责任不明而导致的难管理等问题。
  北京燃气场站只是数字孪生技术的一个局部的应用。从整个工业体系上来说,数字孪生技术其实可以助力整个工业链的数字化转型,实现智能制造。
  数字孪生走进纺织厂
  从去年疫情开始,许多纺织企业纷纷向数字孪生技术抛来橄榄枝。纺织车间的规模一般都比较大,涉及的流程非常多。例如,一个落丝线的小环节就包含了通过化学原料纺织长线,通过设备卷成丝饼,通过中转设备转运等多项环节。
  而在疫情期间,口罩等医疗纺织物的需求量暴增,这对纺织厂的生产效率提出了新的挑战。而数字孪生技术的加入则使得工厂实现了远程监测、巡检、运维,这可以帮助工厂制定更为合理、紧密的工作流程,减少工人现场操作的工作时长与各环节的无效等待,降低工伤的概率,实现生产效率的突破性提高。
  虽然,引入数字孪生技术在初期时需要投入较大的资金,但效率提升带来的长远效益是十分巨大的,尤其对于一个行业或者说整个工业而言。
  例如,某个物流设备商的设备销往了300个企业。当这300个企业所用的相关设备同时出现问题时,理想的情况下,这个设备商就需要派300个售后工程师去运维。但是,一般企业并不能拥有与客户量同等数量的售后工程师,因此就可能会造成售后效率低的情况,导致客户对企业的信誉评级降低,影响后续合作。
  而数字孪生技术则可以给这300个企业中的相关设备建立一个统一的管理系统。这相当于给所有设备拉了一个微信群一样,哪个设备终端出现问题,都可以及时上报系统中心,系统中心则可以进行远程的、精确的指导,减少现场人员的派遣,提高售后的时效性。在这种情况下,工程师还可以提前了解情况,准备恰当的工具与零配件等资源,缩短现场的运维周期。
  综上可知,数字孪生技术可以给一个行业乃至整个工业带来的效率提升;从长远上来看,这项技术可以极大的提高市场竞争力,推动经济高效发展。

数字孪生助力智慧城市建设

  在距离北京100多公里外,有一个新的城市正在崛起,那就是雄安新区。
  雄安新区是现在唯一一个从建设之初,就从数字化角度来进行设计的城市。雄安中所有施工的建筑物及城市规划都建立了先进的数字化BIM模型。在雄安新区,当需要给某个区域铺设水网与燃气网时,可以提前在相关模型中进行仿真预测,推演方案的合理性与成本。
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  数字孪生城市畅想 | nature

  数字孪生技术使得电影中的很多科幻场景得以走向现实。比如,数字孪生技术可以对救护车进行实时监控,可以对救护车所遇到的路况进行调整,给救护车绿灯,让救护车快速通行,在海量的车流中实现奇迹般的畅通无阻。这既是智慧医疗,也是智慧交通。数字孪生技术可以在城市生活的无数末梢神经中都有所应用。
  这种利用数字孪生等新技术将系统和服务打通、集成,以提升资源运用的效率,优化管理和服务,改善市民生活质量的城市,也被称之为智慧城市。

数字孪生的发展方向

  从严谨、科学的态度来看,数字孪生技术并不是万能的。数字孪生技术的应用应该根据不同问题、不同场景、不同需求来进行个性化定制。
  数字孪生在发展过程中必定会遇到无数的挑战。例如,数字孪生与其它技术的协同发展问题,数据如何获取,如何采集,如何高速的传输,如何高速运算、处理,如何实现实时性通讯等,这些过程同时也会涉及到硬件和软件问题等多个方面,而非仅仅是数字孪生这一个领域的问题。再比如,当模型数量和数据量及其巨大,超出现实负担时,如何将数字孪生模型轻量化的问题,也同样是值得考虑的。
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  数字孪生技术终有一日可能会从梦想走向现实 | Pixabay

  对于普通的观众来说,数字孪生这个热词好像是一夜到来的,但是对于科研工作者来说,他们其实已经以目标和需求为导向,在那些需要数字孪生的领域扎根已久。在未来的某一天,当不同的需求对接到一起,数字孪生在各领域的应用可能会连成一片,助力智慧城市、智慧工业的实现,甚至“数字孪生地球”、“元宇宙”的概念也可能会从概念的美梦中走向现实。
  科技所追求的并非是颠覆我们的生活,而是对我们生活的有效补充。虽然在未来的数字世界中,可能会有你我的“数字双胞胎”,有某个孪生的数字世界,但是孪生体并不能也不会替代人类生活,它只是给予更多的信息与选择供人参考,决策权仍然握在我们手中。

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文章名称:数字孪生技术未来的应用与发展

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