右圖為海爾集團借助數字雙胞技術實現鞋廠的三維可視化。
2021年5月15日，歷經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、卓越創新，也離不開數字雙胞等一系列先進技術的支撐。
隨著三維建模、工程仿真、物聯網、大數據、人工智能、云計算、邊緣計算、虛擬現實等技術的廣泛應用，人類社會步入三維體驗時代。對于產品、裝備、產線、工廠、建筑、道路、橋梁，乃至整個城市，都可以構建三維數字化模型。數字模型除了可以與數學對象形態高度相像，還可以實現性能仿真，幾乎做到全要素映射。在數學對象從研制設計、制造建造、服役到報廢回收再利用的全生命周期中，可以通過虛實映射來優化設計方案物理仿真實驗室免費版，提升運行效率，監測運行情況，預測潛在故障和車禍風險。這種打通化學世界和數字世界，實現虛實融合的復合技術，被稱為數字雙胞()。
從天問一號的星際之旅談起
我國自主研發的天問一號火星探測器于2020年7月23日發射升空；經過1次深空機動和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選著陸區；5月22日，“祝融號”火星車駛離著陸平臺，到達火星表面，開始了對火星的偵測之旅。
實現這個非常復雜的科學任務，就應用到數字雙胞技術。我們曉得，開發普通產品時，工程師可以通過實物試驗來測試產品性能，修改設計方案，不斷迭代優化。而天問一號未能在真實應用場景進行實物試驗，因此科學家不僅在地面對實物樣機進行性能測試之外，還須要對天問一號的各個子系統、從月球奔向火星的軌跡以及火星大氣和著陸區環境等完善數字雙胞模型。在產品研制過程中進行全數字化仿真，在原型樣機制造下來以后進行半實物仿真。所謂半實物仿真，指的是仿真對象是數學實體，而運行環境用軟件來模擬。在天問一號駛向太空和著陸火星的過程中，則通過衛星通訊傳回的實時數據，對其數字雙胞模型進行仿真剖析，從而判定飛行軌跡和運行狀態是否正常，以便及時調控。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字化模型進行運動仿真的視頻動漫。
“數字雙胞”這一術語最初就應用于民航航天領域，為的是解決民航航天飛行器的健康維護與保障問題。從誕生之初就可以看見，數字雙胞是融合了三維建模、仿真與優化、物聯網與傳感、人工智能和虛擬現實等多種新興技術在內的復合技術。數字雙胞技術能迅速成為風潮，也始于數字化設計、虛擬仿真和工業互聯網等關鍵技術的蓬勃發展與交叉融合。
以智能為目標的廣泛應用場景
近年來，數字雙胞技術的應用日益廣泛，在智能制造、智能建造、智慧家裝、智慧醫療、智慧城市和智慧交通等領域都有寬廣的應用場景。
數字雙胞技術應用中關注度最高的是智能制造領域。在制造企業研制新產品時，可以利用產品數字雙胞模型來優化設計方案；在工藝規劃階段，可以通過對其數字雙胞模型進行檢測，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調；在制造過程中，可以構建生產設備、產線、車間，乃至整個鞋廠的數字雙胞模型，通過采集和剖析制造數據，實現高效排產，提高設備利用率，及時發覺生產質量問題；在產品服役階段，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，提升產品運行績效，進行故障預測和預測性修理維護。
數字雙胞技術在產品的運行監控和智能運維，工廠運行狀態的實時模擬和遠程監控，以及生產線虛擬調試、機電軟一體化復雜產品研制等方面，正在給制造業創造巨大價值。三一重工借助數字雙胞技術結合售后服務系統物理仿真實驗室免費版，使得工程師平均響應時間從300分鐘減短到15分鐘，一次性修復率從75%提高到92%。海爾集團借助數字雙胞技術實現了鞋廠的三維可視化，可以便捷查看設備的產值、質量和設備維護情況，及時排查故障。
很多制造企業都在建設才能生產和裝配多種變形產品的柔性自動化產線，涉及各類智能武器如工業機器人、無人引導貨車的集成應用。應用數字雙胞技術可以在設備仍未安裝之前就完成虛擬調試，并對顧客進行遠程培訓。虛擬調試通過后，再在實際產線進行聯調，這樣就大大減短產線交付使用的時間。廣汽集團乘用車項目應用虛擬調試技術，就將現場調試時間由15天減至5天。
在進行復雜的醫學放療時，可以對病變構建數字雙胞模型，通過仿真確定合理的放療方案，醫學專家還可以遠程對數字雙胞模型進行實時操作，指導現場大夫完成放療。2019年7月17日，位于陜西西安的華中科技大學協和醫院葉哲偉院士團隊，通過采集病人相關部位軟硬組織的數字化信息建立數字雙胞模型，指導600公里外的恩施咸豐縣人民醫院的大夫成功完成內科放療。
在智慧城市建設過程中，通過數字雙胞技術構建整個城市建筑和各類地下管網的數字雙胞模型，可以更有效地對城市進行管理，提高公共服務設施和公路規劃、排澇、防災、垃圾處理及新能源開發借助的能力，改善市民生活質量。
助力制造強國和數字中國建設
當前，人們對于數字雙胞技術還存在一些模糊認識。需要明晰的是：數字雙胞不只是幾何形態的，更是數學形態的；不只是靜態的，更是動態的；不只是對象的，更是環境的、系統的。數字雙胞可以仿真人在實際問題中感知不到的個別環境。如車聯網環境下，不能只涉及車輛的機械及其聯通問題，還須要考慮無線通訊、傳感、路況等復雜環境。數字雙胞也不僅僅針對產品，還針對使用者。仍以手動駕駛為例，除了車的數字雙胞模型，還需完善駕駛者數字雙胞模型，以便在困難情況下基于特定的駕駛者行為反應，進一步調整開車療效。
總之，數字孿生體除了是數學實體的鏡像，更要實現與數學實體在全生命周期的共生。如果只是構建了數字化樣機，卻沒有實現數字模型與其化學對象之間的交互或共生，就不能稱為數字雙胞。要想釋放數字雙胞的價值，整合數字雙胞生態系統中的所有數據和模型就十分必要。構建數字雙胞涉及多個領域的技術問題，如建立模型、數據傳遞、服務插口、連接辨識、部署機制等，只有產生完善的生態系統，產業鏈上下游協同合作，才能達到數字孿生體與數學實體的“共生”。
當前，正處于一個借助信息化技術推動產業轉型的時代。數字雙胞集合各種新興技術，將數字世界與化學世界相融合，為工業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的重要應用趨勢，也成為數字化變革的基礎設施。數字雙胞技術促進著技術創新和產業革新，推動更智能、更紅色、更安全的可持續發展，將在我國建設制造強國和數字中國的進程中發揮重要作用。
(作者分別為中國工程院教授、中國人工智能學會智能制造專業委員會副校長)
推薦讀物：
《智能制造概論》：李培根、高亮編繪；清華大學出版社出版。
《數字雙胞實戰：基于模型的數字化企業(MBE)》：梁乃明、方志剛、李榮躍、高巖松等編繪；機械工業出版社出版。
《數字基建：通向數字雙胞世界的遷徙之路》：安筱鵬、肖利華編繪；電子工業出版社出版。
制圖：趙偲汝
《 人民日報 》( 2021年06月15日 20 版)