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来源: 宣传文化中心  作者: 陈航 王今燕  发布日期:2020-05-18

前沿分享 | 数字孪生的“平行世界”

科幻作家想象的另类现实和平行世界,已经悄然走进我们的生活。今天,我们正以数字孪生技术构建“平行世界”,并赋能现实世界的改造。近日,在浙江省智慧城市促进会、浙江省下一代互联网技术产业联网主办的“空中沙龙慧”活动上,之江实验室高级研究员华炜作为分享嘉宾,围绕“构建数字孪生城市,共享智慧新生态”主题,对数字孪生技术及其在智慧交通领域的应用作了科普解读。本期“前沿分享”整理了相关观点分享给大家。


什么是数字孪生?

数字孪生,英文叫做Digital Twin。它是将现实空间(Physical Twin)中的人、物、关系、过程等对象全时一致地复现为信息空间中的数字模型(称为数字孪生体),并通过观测、分析、推演和操作数字孪生体来实现对现实对象的研究和控制,从而形成一个信息实时映射、数据双向流通的完整信息闭环,服务于产品从设计、开发、制造、服务、维护乃至报废回收的全生命周期。

有三个与数字孪生相关的概念需要进行说明与区分。

1. 数字孪生vs虚拟现实:虚拟现实(Virtual Reality)是通过计算机图形学中多模态建模的手段营造数字化世界的一类技术,具有“3I”的特征——沉浸感(Immersion)、交互性(Interactivity)和想象性(Imagination)。数字孪生与虚拟现实的共同点是都具有数字化世界,且都具有交互性,但数字孪生更侧重于跟现实之间的映射关系,不强调沉浸感与想象性。

2. 数字孪生vs虚拟样机:虚拟样机(Virtual Prototype)是虚拟现实在制造业中的应用之一,也是数字孪生的前身之一。它以数字化形式代替传统的实物样机试验,应用于产品的设计与制造阶段。数字孪生是虚拟样机在时间维度上的拓展,数字孪生体在运营维护阶段依然与物理空间中的装置系统保持联系,即对产品进行全生命周期的映射管理。

3. 数字孪生vs信息物理系统:信息物理系统(Cyber-Physical Systems,简称CPS)也是为物理实体构建信息模型,从现实世界中采集数据进行快速计算,然后即时反馈到物理空间中,并对其进行实时的控制。而数字孪生除了对现实空间的实时控制之外,还包括仿真、预测和推演。


数字孪生的前世今生

美国密歇根大学教授Michael Grieves博士曾于2003年在产品全生命周期管理的课程上提出了“镜像空间模型”(Mirrored Space Model),这是最早关于数字孪生体的相关概念,但是受算力限制,当时以建模为主。

首次正式提出数字孪生概念的是美国空军研究实验室(AFRL,Air Force Research Laboratory)。在其2011年3月的一次演讲中,Eric J. Tuegel提出通过引入虚拟飞机仿真来评估飞机结构的损伤程度,进而预测飞机的使用寿命,实现飞机运维工作的数字化。

同一时期,美国国家航空航天局(NASA,National Aeronautics and Space Administration)联合美国空军对数字孪生共同展开研究。企业界的参与是从2012年开始的,美国通用电气公司(GE)在为美国国防部提供战斗机的解决方案时,利用数字孪生体构建工业互联网;2016年西门子结合工业4.0,提出了基于数字孪生的工业软件解决方案。

如今,随着物联网技术、人工智能和虚拟现实技术的不断发展,数字孪生技术被应用于更多的产品和设备,并向更广阔的领域拓展延伸。


数字孪生的价值

工业制造是数字孪生的主要应用领域。比如,美国通用电器公司借助数字孪生这一概念,提出物理机械和分析技术融合的实现途径,让每个引擎,每个涡轮,每台核磁共振都拥有一个数字化的“双胞胎”,并通过数字化模型在虚拟环境下实现机器人调试、试验、优化运行状态等模拟,以便将最优方案应用在物理世界的机器上,从而节省大量维修、调试成本。

早在2010年,我国的技术专家们就运用类似数字孪生的技术,为高速列车建立全生命周期管理。通过引入物联网技术,不仅可以掌握列车全生命周期的实时动态,还可以提高列车的使用效率和检修效率。

从2015年开始,数字孪生技术逐渐从制造业向城市管理、交通管控和环境治理等更多领域拓展应用。雄安新区实行“数字城市与现实城市同步规划、同步建设”,积极运用数字孪生技术构建全域感知、万物互联、数据驱动、虚实结合的新型智慧城市。在数字孪生城市中,公用基础设施的运行状态,市政资源的调配情况,都会通过传感器、摄像头、数字化子系统采集出来,并通过物联网技术、通信技术等传递到云端。城市的管理者,可以基于动态感知的数据,构建数字孪生城市,从而提升城市的运行效率。

当然,数字孪生技术目前尚处于起步阶段,要想实现成熟的应用,还要突破理念、技术、规范、配套等多重难题。但其巨大的科技优势、广阔的应用前景、深厚的发展潜力是不容忽视的,必将在未来给世界带来更深刻的影响与改变。


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