左圖為天問(wèn)一號探測火星示意圖。
圖片來(lái)源：國家航天局
右圖為海爾集團利用數字孿生技術(shù)實(shí)現工廠(chǎng)的三維可視化。
2021年5月15日，歷經(jīng)9個(gè)多月的長(cháng)途跋涉，中國火星探測器天問(wèn)一號成功著(zhù)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(kāi)中國航天人的攻堅克難、卓越創(chuàng )新，也離不開(kāi)數字孿生等一系列先進(jìn)技術(shù)的支撐。
隨著(zhù)三維建模、工程仿真、物聯(lián)網(wǎng)、大數據、人工智能、云計算、邊緣計算、虛擬現實(shí)等技術(shù)的廣泛應用，人類(lèi)社會(huì )進(jìn)入三維體驗時(shí)代。對于產(chǎn)品、裝備、產(chǎn)線(xiàn)、工廠(chǎng)、建筑、道路、橋梁，乃至整個(gè)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(tài)高度相似，還可以實(shí)現性能仿真，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(guò)虛實(shí)映射來(lái)優(yōu)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(fēng)險。這種打通物理世界和數字世界，實(shí)現虛實(shí)融合的復合技術(shù)，被稱(chēng)為數字孿生（Digital Twin）。
從天問(wèn)一號的星際之旅談起
我國自主研制的天問(wèn)一號火星探測器于2020年7月23日發(fā)射升空；經(jīng)過(guò)1次深空機動(dòng)和4次中途修正，于2021年2月10日成功進(jìn)入火星軌道；5月15日，天問(wèn)一號成功穿越火星大氣層，著(zhù)陸于火星烏托邦平原南部預選著(zhù)陸區；5月22日，“祝融號”火星車(chē)駛離著(zhù)陸平臺，到達火星表面，開(kāi)始了對火星的探測之旅。
實(shí)現這個(gè)極其復雜的科學(xué)任務(wù)，就應用到數字孿生技術(shù)。我們知道，開(kāi)發(fā)普通產(chǎn)品時(shí)，工程師可以通過(guò)實(shí)物試驗來(lái)測試產(chǎn)品性能，修改設計方案，不斷迭代優(yōu)化。而天問(wèn)一號無(wú)法在真實(shí)應用場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)物試驗，因此科學(xué)家除了在地面對實(shí)物樣機進(jìn)行性能測試之外，還需要對天問(wèn)一號的各個(gè)子系統、從地球飛向火星的軌跡以及火星大氣和著(zhù)陸區環(huán)境等建立數字孿生模型。在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中進(jìn)行全數字化仿真，在原型樣機制造出來(lái)之后進(jìn)行半實(shí)物仿真。所謂半實(shí)物仿真，指的是仿真對象是物理實(shí)體，而運行環(huán)境用軟件來(lái)模擬。在天問(wèn)一號飛向太空和著(zhù)陸火星的過(guò)程中，則通過(guò)衛星通信傳回的實(shí)時(shí)數據，對其數字孿生模型進(jìn)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(shí)調控。為了幫助觀(guān)眾更好地理解，電視直播往往也會(huì )使用對航天器數字化模型進(jìn)行運動(dòng)仿真的視頻動(dòng)畫(huà)。
“數字孿生”這一術(shù)語(yǔ)最初就應用于航空航天領(lǐng)域，為的是解決航空航天飛行器的健康維護與保障問(wèn)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(yōu)化、物聯(lián)網(wǎng)與傳感器、人工智能和虛擬現實(shí)等多種新興技術(shù)在內的復合技術(shù)。數字孿生技術(shù)能迅速成為熱潮，也源于數字化設計、虛擬仿真和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)的蓬勃發(fā)展與交叉融合。
以智能為目標的廣泛應用場(chǎng)景
近年來(lái)，數字孿生技術(shù)的應用日漸廣泛，在智能制造、智能建造、智慧家居、智慧醫療、智慧城市和智慧交通等領(lǐng)域都有廣闊的應用場(chǎng)景。
數字孿生技術(shù)應用中關(guān)注度最高的是智能制造領(lǐng)域。在制造企業(yè)研發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，可以借助產(chǎn)品數字孿生模型來(lái)優(yōu)化設計方案；在工藝規劃階段，可以通過(guò)對其數字孿生模型進(jìn)行檢查，確定每個(gè)零件是否能夠制造出來(lái)，零部件在裝配時(shí)是否相互協(xié)調；在制造過(guò)程中，可以建立生產(chǎn)設備、產(chǎn)線(xiàn)、車(chē)間，乃至整個(gè)工廠(chǎng)的數字孿生模型，通過(guò)采集和分析制造數據，實(shí)現高效排產(chǎn)，提高設備利用率，及時(shí)發(fā)現生產(chǎn)質(zhì)量問(wèn)題；在產(chǎn)品服役階段，可以通過(guò)安裝視覺(jué)、溫濕度、壓力、振動(dòng)、位移、速度等各類(lèi)傳感器來(lái)監測其運行狀況，提升產(chǎn)品運行績(jì)效，進(jìn)行故障預測和預測性維修維護。
數字孿生技術(shù)在產(chǎn)品的運行監控和智能運維，工廠(chǎng)運行狀態(tài)的實(shí)時(shí)模擬和遠程監控，以及生產(chǎn)線(xiàn)虛擬調試、機電軟一體化復雜產(chǎn)品研發(fā)等方面，正在給制造業(yè)創(chuàng )造巨大價(jià)值。三一重工利用數字孿生技術(shù)結合售后服務(wù)系統，使得工程師平均響應時(shí)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(shù)實(shí)現了工廠(chǎng)的三維可視化，可以方便查看設備的產(chǎn)量、質(zhì)量和設備維護情況，及時(shí)排查故障。
很多制造企業(yè)都在建設能夠生產(chǎn)和裝配多種變型產(chǎn)品的柔性自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)，涉及各種智能裝備如工業(yè)機器人、無(wú)人引導小車(chē)的集成應用。應用數字孿生技術(shù)可以在設備尚未安裝之前就完成虛擬調試，并對客戶(hù)進(jìn)行遠程培訓。虛擬調試通過(guò)后，再在實(shí)際產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行聯(lián)調，這樣就大大縮短產(chǎn)線(xiàn)交付使用的時(shí)間。廣汽集團乘用車(chē)項目應用虛擬調試技術(shù)，就將現場(chǎng)調試時(shí)間由15天減至5天。
在進(jìn)行復雜的醫學(xué)手術(shù)時(shí)，可以對病灶建立數字孿生模型，通過(guò)仿真確定合理的手術(shù)方案，醫學(xué)專(zhuān)家還可以遠程對數字孿生模型進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，指導現場(chǎng)醫生完成手術(shù)。2019年7月17日，位于湖北武漢的華中科技大學(xué)協(xié)和醫院葉哲偉教授團隊，通過(guò)采集患者相關(guān)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(shù)。
在智慧城市建設過(guò)程中，通過(guò)數字孿生技術(shù)建立整個(gè)城市建筑和各種地下管網(wǎng)的數字孿生模型，可以更有效地對城市進(jìn)行管理，提高公共服務(wù)設施和道路規劃、排澇、防災、垃圾處理及新能源開(kāi)發(fā)利用的能力，改善居民生活質(zhì)量。
助力制造強國和數字中國建設
當前，人們對于數字孿生技術(shù)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(tài)的，更是物理形態(tài)的；不只是靜態(tài)的，更是動(dòng)態(tài)的；不只是對象的，更是環(huán)境的、系統的。數字孿生可以仿真人在實(shí)際問(wèn)題中感知不到的某些環(huán)境。如車(chē)聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，不能只涉及汽車(chē)的機械及其移動(dòng)問(wèn)題，還需要考慮無(wú)線(xiàn)通信、傳感、路況等復雜環(huán)境。數字孿生也不僅僅針對產(chǎn)品，還針對使用者。仍以自動(dòng)駕駛為例，除了車(chē)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于特定的駕駛者行為反應，進(jìn)一步調整駕車(chē)效果。
總之，數字孿生體不僅是物理實(shí)體的鏡像，更要實(shí)現與物理實(shí)體在全生命周期的共生。如果只是建立了數字化樣機，卻沒(méi)有實(shí)現數字模型與其物理對象之間的交互或共生，就不能稱(chēng)為數字孿生。要想釋放數字孿生的價(jià)值，整合數字孿生生態(tài)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(gè)領(lǐng)域的技術(shù)問(wèn)題，如構建模型、數據傳遞、服務(wù)接口、連接識別、部署機制等，只有形成健全的生態(tài)系統，產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同合作，才能達到數字孿生體與物理實(shí)體的“共生”。
當前，正處于一個(gè)利用信息化技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革的時(shí)代。數字孿生集合各類(lèi)新興技術(shù)，將數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據，逐漸成為智能制造等行業(yè)的重要應用趨勢，也成為數字化轉型的基礎設施。數字孿生技術(shù)推動(dòng)著(zhù)技術(shù)創(chuàng )新和產(chǎn)業(yè)革新，推動(dòng)更智能、更綠色、更安全的可持續發(fā)展，將在我國建設制造強國和數字中國的進(jìn)程中發(fā)揮重要作用。
（李培根 黃 培 作者分別為中國工程院院士、中國人工智能學(xué)會(huì )智能制造專(zhuān)業(yè)委員會(huì )副主任）
責編：梅亞川
