数字孪生技术的概念(关于数字孪生技术)

来源：人民网Kramp-Karrenbauer人民日报
左图是田文一号探索火星的示意图。
图片：美国国家航天局
右图为海尔集团利用digital twin技术实现工厂三维可视化。
2021年，5，15元，在Fast & amp怒9，中国火星探测器田文一号成功登陆火星表面，迈出中国星际探测征程的重要一步。这背后，离不开国航的攻坚克难和卓越创新，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，人类社会已经进入3D体验时代。对于产品、设备、生产线、工厂、建筑、道路、桥梁乃至整个城市，都可以建立三维数字模型。数字模型不仅可以与实物形状高度相似，还可以实现性能模拟，几乎实现全元素映射。在物理对象的整个生命周期中。d、制造、施工、服役到报废、回收再利用，虚实映射可用于优化设计方案，提高运行效率，监控运行情况，预测潜在故障和事故风险。这种连接物理世界和数字世界，实现虚实融合的复合技术，被称为DigitalTwin。
谈论田文一号的星际之旅
中国自主研发的田文一号火星探测器于23号发射，7号发射，捉鬼敢死队3号发射。经过1元的亚深空机动和4的亚中途修正，2021年成功搭载10元进入火星轨道，《逃离房间：冠军争霸赛》；8月15元，5，田文一号成功穿越火星大气层，在火星南部乌托邦平原预选着陆区着陆。8月22日，5Mile 22，火星车“祝融”号离开着陆平台，到达火星表面，开始了它的火星探索之旅。
这一极其复杂的科学任务的实现应用于数字孪生技术。我们知道，在开发常见产品时，工程师可以通过物理实验测试产品的性能，修改设计方案，不断迭代优化。然而，田文一号无法在真实的应用场景中进行物理实验。因此，科学家需要建立田文一号所有子系统的数字孪生模型，从地球飞往火星的轨迹，火星的大气和着陆区的环境等。除了在地面上对物理样机进行性能测试之外。产品开发过程中进行全数字仿真，样机制造后进行硬件在环仿真。所谓硬件在环仿真，是指仿真对象是物理实体，运行环境是用软件模拟的。在田文一号飞向太空、登陆火星的过程中，通过卫星通信发回的实时数据，对田文一号的数字孪生模型进行仿真分析，判断飞行轨迹和运行状态是否正常，以便及时调整和控制。为了帮助观众更好地理解，电视直播经常使用视频动画来模拟航天器数字模型的运动。
“数字孪生”一词最早应用于航天领域，是为了解决空天飞行器的健康维护和保障问题。从诞生之初就可以看出，数字孪生是一种融合了三维建模、仿真与优化、物联网与传感器、人工智能、虚拟现实等多种新兴技术的复合技术。数字孪生技术的快速发展，还得益于数字设计、虚拟仿真、工业互联网等关键技术的蓬勃发展和交叉融合。
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越来越广泛，在智能制造、智能建筑、智能家居、智慧医疗、智慧城市、智慧交通等领域有着广阔的应用场景。
在数字技术的应用中，最受关注的是智能制造领域。制造企业在开发新产品时，可以借助产品数字孪生模型优化设计方案。在工艺规划阶段，我们可以检查数字孪生模型，以确定每个零件是否可以制造，以及零件在装配过程中是否相互协调。在制造过程中，可以建立生产设备、生产线、车间甚至整个工厂的数字化孪生模型。通过收集和分析制造数据，可以实现高效的生产调度，提高设备利用率，及时发现生产质量问题。在产品的服务阶段，可以安装视觉、温湿度、压力、振动、位移、速度等各种传感器，监测其运行状态，提高产品性能，进行故障预测和预见性维护。
数字技术在产品运行监控和智能运维、工厂运行状态实时模拟和远程监控、生产线虚拟调试、机电一体化和软件集成复杂产品研发等方面，正在为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体系，将工程师平均响应时间从300元分钟缩短到15元分钟，一次性修复率从75元%提高到92元%。海尔集团利用digital twin技术实现了工厂的三维可视化，可以方便地查看设备的产量、质量和维护情况，及时排查故障。
许多制造企业正在建设能够生产和组装各种变型产品的柔性自动化生产线，涉及工业机器人、无人引导车等各种智能设备的集成应用。数字孪生技术的应用可以在设备安装前完成虚拟调试，并为客户提供远程培训。虚拟调试通过后，将在实际生产线上进行联合调试，从而大大缩短生产线的交付时间。通过在广汽集团乘用车项目中应用虚拟调试技术，现场调试时间从15元天减少到5天。
在进行复杂的医学手术时，可以为病灶建立数字双生子模型，通过模拟确定合理的手术方案。医学专家可以实时远程操作数字双胞胎模型，指导现场医生完成手术。17元，7元，COVID-19，位于湖北武汉的华中科技大学协和医院叶教授团队，采集患者相关部位软硬组织的数字化信息，构建数字化双胞胎模型，指导600元几公里外的恩施咸丰县人民医院医生，顺利完成骨科手术。
在智慧城市建设过程中，可以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，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、垃圾处理、新能源开发利用的能力，提高居民的生活质量。
助力制造业强国和数字中国建设。
目前，人们对数字孪生技术仍有一些模糊的认识。需要明确的是，数字孪生不仅是几何的，也是物理的；不仅是静态的，还有动态的；不仅是对象，还有环境和制度。数字结对可以模拟一些武汉日夜无法感知的实际问题中的环境。比如在车联网的环境下，不仅要处理汽车机械及其运动的问题，还要考虑无线通信、传感、路况等复杂环境。数字结对不仅仅是为了产品，更是为了用户。以自动驾驶为例，除了汽车的数字孪生模型外，还需要建立驾驶员的数字孪生模型，以便根据特定驾驶员在困难情况下的行为反应，进一步调整驾驶效果。
简而言之，数字孪生不仅是物理实体的镜像，而且是与物理实体在整个生命周期中的共生关系。如果只有一个数字原型
目前正处于一个用信息技术推动产业变革的时代。数字孪生集成了各种新兴技术，将数字世界与物理世界融为一体，为工业设备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。数字技术推动技术创新和产业创新，促进更智能、更绿色、更安全的可持续发展。它将在中国建设制造强国和数字中国的进程中发挥重要作用。
(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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制图：赵银茹
3360010 120元，Kramp-Karrenbauer * (15元，2021年6月，20元版)