右圖為海爾集團(tuán)借助數(shù)字雙胞技術(shù)實現(xiàn)鞋廠的三維可視化。
2021年5月15日，歷經(jīng)9個多月的長途跋涉，中國火星探測器天問一號成功著陸火星表面，邁出了我國星際偵測征程的重要一步。這背后離不開中國航天人的攻堅克難、卓越創(chuàng)新，也離不開數(shù)字雙胞等一系列先進(jìn)技術(shù)的支撐。
隨著三維建模、工程仿真、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、邊緣計算、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人類社會步入三維體驗時代。對于產(chǎn)品、裝備、產(chǎn)線、工廠、建筑、道路、橋梁，乃至整個城市，都可以構(gòu)建三維數(shù)字化模型。數(shù)字模型除了可以與數(shù)學(xué)對象形態(tài)高度相像，還可以實現(xiàn)性能仿真，幾乎做到全要素映射。在數(shù)學(xué)對象從研制設(shè)計、制造建造、服役到報廢回收再利用的全生命周期中，可以通過虛實映射來優(yōu)化設(shè)計方案物理仿真實驗室免費版，提升運行效率，監(jiān)測運行情況，預(yù)測潛在故障和車禍風(fēng)險。這種打通化學(xué)世界和數(shù)字世界，實現(xiàn)虛實融合的復(fù)合技術(shù)，被稱為數(shù)字雙胞()。
從天問一號的星際之旅談起
我國自主研發(fā)的天問一號火星探測器于2020年7月23日發(fā)射升空；經(jīng)過1次深空機(jī)動和4次中途修正，于2021年2月10日成功步入火星軌道；5月15日，天問一號成功穿越火星大氣層，著陸于火星烏托邦平原北部預(yù)選著陸區(qū)；5月22日，“祝融號”火星車駛離著陸平臺，到達(dá)火星表面，開始了對火星的偵測之旅。
實現(xiàn)這個非常復(fù)雜的科學(xué)任務(wù)，就應(yīng)用到數(shù)字雙胞技術(shù)。我們曉得，開發(fā)普通產(chǎn)品時，工程師可以通過實物試驗來測試產(chǎn)品性能，修改設(shè)計方案，不斷迭代優(yōu)化。而天問一號未能在真實應(yīng)用場景進(jìn)行實物試驗，因此科學(xué)家不僅在地面對實物樣機(jī)進(jìn)行性能測試之外，還須要對天問一號的各個子系統(tǒng)、從月球奔向火星的軌跡以及火星大氣和著陸區(qū)環(huán)境等完善數(shù)字雙胞模型。在產(chǎn)品研制過程中進(jìn)行全數(shù)字化仿真，在原型樣機(jī)制造下來以后進(jìn)行半實物仿真。所謂半實物仿真，指的是仿真對象是數(shù)學(xué)實體，而運行環(huán)境用軟件來模擬。在天問一號駛向太空和著陸火星的過程中，則通過衛(wèi)星通訊傳回的實時數(shù)據(jù)，對其數(shù)字雙胞模型進(jìn)行仿真剖析，從而判定飛行軌跡和運行狀態(tài)是否正常，以便及時調(diào)控。為了幫助聽眾更好地理解，電視直播常常也會使用對航天器數(shù)字化模型進(jìn)行運動仿真的視頻動漫。
“數(shù)字雙胞”這一術(shù)語最初就應(yīng)用于民航航天領(lǐng)域，為的是解決民航航天飛行器的健康維護(hù)與保障問題。從誕生之初就可以看見，數(shù)字雙胞是融合了三維建模、仿真與優(yōu)化、物聯(lián)網(wǎng)與傳感、人工智能和虛擬現(xiàn)實等多種新興技術(shù)在內(nèi)的復(fù)合技術(shù)。數(shù)字雙胞技術(shù)能迅速成為風(fēng)潮，也始于數(shù)字化設(shè)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(biāo)的廣泛應(yīng)用場景
近年來，數(shù)字雙胞技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，在智能制造、智能建造、智慧家裝、智慧醫(yī)療、智慧城市和智慧交通等領(lǐng)域都有寬廣的應(yīng)用場景。
數(shù)字雙胞技術(shù)應(yīng)用中關(guān)注度最高的是智能制造領(lǐng)域。在制造企業(yè)研制新產(chǎn)品時，可以利用產(chǎn)品數(shù)字雙胞模型來優(yōu)化設(shè)計方案；在工藝規(guī)劃階段，可以通過對其數(shù)字雙胞模型進(jìn)行檢測，確定每位零件是否還能制造下來，零部件在裝配時是否互相協(xié)調(diào)；在制造過程中，可以構(gòu)建生產(chǎn)設(shè)備、產(chǎn)線、車間，乃至整個鞋廠的數(shù)字雙胞模型，通過采集和剖析制造數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高效排產(chǎn)，提高設(shè)備利用率，及時發(fā)覺生產(chǎn)質(zhì)量問題；在產(chǎn)品服役階段，可以通過安裝視覺、溫濕度、壓力、振動、位移、速度等各種傳感來檢測其運行狀況，提升產(chǎn)品運行績效，進(jìn)行故障預(yù)測和預(yù)測性修理維護(hù)。
數(shù)字雙胞技術(shù)在產(chǎn)品的運行監(jiān)控和智能運維，工廠運行狀態(tài)的實時模擬和遠(yuǎn)程監(jiān)控，以及生產(chǎn)線虛擬調(diào)試、機(jī)電軟一體化復(fù)雜產(chǎn)品研制等方面，正在給制造業(yè)創(chuàng)造巨大價值。三一重工借助數(shù)字雙胞技術(shù)結(jié)合售后服務(wù)系統(tǒng)物理仿真實驗室免費版，使得工程師平均響應(yīng)時間從300分鐘減短到15分鐘，一次性修復(fù)率從75%提高到92%。海爾集團(tuán)借助數(shù)字雙胞技術(shù)實現(xiàn)了鞋廠的三維可視化，可以便捷查看設(shè)備的產(chǎn)值、質(zhì)量和設(shè)備維護(hù)情況，及時排查故障。
很多制造企業(yè)都在建設(shè)才能生產(chǎn)和裝配多種變形產(chǎn)品的柔性自動化產(chǎn)線，涉及各類智能武器如工業(yè)機(jī)器人、無人引導(dǎo)貨車的集成應(yīng)用。應(yīng)用數(shù)字雙胞技術(shù)可以在設(shè)備仍未安裝之前就完成虛擬調(diào)試，并對顧客進(jìn)行遠(yuǎn)程培訓(xùn)。虛擬調(diào)試通過后，再在實際產(chǎn)線進(jìn)行聯(lián)調(diào)，這樣就大大減短產(chǎn)線交付使用的時間。廣汽集團(tuán)乘用車項目應(yīng)用虛擬調(diào)試技術(shù)，就將現(xiàn)場調(diào)試時間由15天減至5天。
在進(jìn)行復(fù)雜的醫(yī)學(xué)放療時，可以對病變構(gòu)建數(shù)字雙胞模型，通過仿真確定合理的放療方案，醫(yī)學(xué)專家還可以遠(yuǎn)程對數(shù)字雙胞模型進(jìn)行實時操作，指導(dǎo)現(xiàn)場大夫完成放療。2019年7月17日，位于陜西西安的華中科技大學(xué)協(xié)和醫(yī)院葉哲偉院士團(tuán)隊，通過采集病人相關(guān)部位軟硬組織的數(shù)字化信息建立數(shù)字雙胞模型，指導(dǎo)600公里外的恩施咸豐縣人民醫(yī)院的大夫成功完成內(nèi)科放療。
在智慧城市建設(shè)過程中，通過數(shù)字雙胞技術(shù)構(gòu)建整個城市建筑和各類地下管網(wǎng)的數(shù)字雙胞模型，可以更有效地對城市進(jìn)行管理，提高公共服務(wù)設(shè)施和公路規(guī)劃、排澇、防災(zāi)、垃圾處理及新能源開發(fā)借助的能力，改善市民生活質(zhì)量。
助力制造強(qiáng)國和數(shù)字中國建設(shè)
當(dāng)前，人們對于數(shù)字雙胞技術(shù)還存在一些模糊認(rèn)識。需要明晰的是：數(shù)字雙胞不只是幾何形態(tài)的，更是數(shù)學(xué)形態(tài)的；不只是靜態(tài)的，更是動態(tài)的；不只是對象的，更是環(huán)境的、系統(tǒng)的。數(shù)字雙胞可以仿真人在實際問題中感知不到的個別環(huán)境。如車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，不能只涉及車輛的機(jī)械及其聯(lián)通問題，還須要考慮無線通訊、傳感、路況等復(fù)雜環(huán)境。數(shù)字雙胞也不僅僅針對產(chǎn)品，還針對使用者。仍以手動駕駛為例，除了車的數(shù)字雙胞模型，還需完善駕駛者數(shù)字雙胞模型，以便在困難情況下基于特定的駕駛者行為反應(yīng)，進(jìn)一步調(diào)整開車療效。
總之，數(shù)字孿生體除了是數(shù)學(xué)實體的鏡像，更要實現(xiàn)與數(shù)學(xué)實體在全生命周期的共生。如果只是構(gòu)建了數(shù)字化樣機(jī)，卻沒有實現(xiàn)數(shù)字模型與其化學(xué)對象之間的交互或共生，就不能稱為數(shù)字雙胞。要想釋放數(shù)字雙胞的價值，整合數(shù)字雙胞生態(tài)系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)和模型就十分必要。構(gòu)建數(shù)字雙胞涉及多個領(lǐng)域的技術(shù)問題，如建立模型、數(shù)據(jù)傳遞、服務(wù)插口、連接辨識、部署機(jī)制等，只有產(chǎn)生完善的生態(tài)系統(tǒng)，產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同合作，才能達(dá)到數(shù)字孿生體與數(shù)學(xué)實體的“共生”。
當(dāng)前，正處于一個借助信息化技術(shù)推動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的時代。數(shù)字雙胞集合各種新興技術(shù)，將數(shù)字世界與化學(xué)世界相融合，為工業(yè)設(shè)備等提供完整的生命周期數(shù)據(jù)，逐漸成為智能制造等行業(yè)的重要應(yīng)用趨勢，也成為數(shù)字化變革的基礎(chǔ)設(shè)施。數(shù)字雙胞技術(shù)促進(jìn)著技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)革新，推動更智能、更紅色、更安全的可持續(xù)發(fā)展，將在我國建設(shè)制造強(qiáng)國和數(shù)字中國的進(jìn)程中發(fā)揮重要作用。
(作者分別為中國工程院教授、中國人工智能學(xué)會智能制造專業(yè)委員會副校長)
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《智能制造概論》：李培根、高亮編繪；清華大學(xué)出版社出版。
《數(shù)字雙胞實戰(zhàn)：基于模型的數(shù)字化企業(yè)(MBE)》：梁乃明、方志剛、李榮躍、高巖松等編繪；機(jī)械工業(yè)出版社出版。
《數(shù)字基建：通向數(shù)字雙胞世界的遷徙之路》：安筱鵬、肖利華編繪；電子工業(yè)出版社出版。
制圖：趙偲汝
《 人民日報 》( 2021年06月15日 20 版)