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什么是数字孪生?

智慧城市

什么是数字孪生?

    数字孪生(Digital Twin)已经走过了几十年的发展历程,只不过以前没有这样命名,而是发展到了一定阶段,人们意识到应该给这种综合化的技术起一个更确切的名字。

    数字孪生,是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

    其实,简单来说,数字孪生就是在一个设备或系统的基础上,创造一个数字版的“克隆体”。

    这个“克隆体”,也被称为“数字孪生体”。它被创建在信息化平台上,是虚拟的。

    也许你会说,这不就是电脑上的设计图纸嘛?CAD搞搞不就有了?

    其实不然。相比于设计图纸,数字孪生体最大的特点在于:它是对实体对象(姑且就称为“本体”吧)的动态仿真。也就是说,数字孪生体是会“动”的。

    而且,数字孪生体不是随便乱“动”。它“动”的依据,来自本体的物理设计模型,还有本体上面传感器反馈的数据,以及本体运行的历史数据。

    说白了,本体的实时状态,还有外界环境条件,都会复现到“孪生体”身上。

    如果需要做系统设计改动,或者想要知道系统在特殊外部条件下的反应,工程师们可以在孪生体上进行“实验”。这样一来,既避免了对本体的影响,也可以提高效率、节约成本。

    除了“会动”之外,理解数字孪生还需要记住三个关键词,分别是“全生命周期”、“实时/准实时”、“双向”。

    数字孪生是源自工业界的概念。在工业制造领域,有一个词叫做“产品生命周期管理(PLM)”。相信很多人都听说过。

    全生命周期,是指数字孪生可以贯穿产品包括设计、开发、制造、服务、维护乃至报废回收的整个周期。它并不仅限于帮助企业把产品更好地造出来,还包括帮助用户更好地使用产品。

    而实时/准实时,是指本体和孪生体之间,可以建立全面的实时或准实时联系。两者并不是完全独立的,映射关系也具备一定的实时性。

    双向,是指本体和孪生体之间的数据流动可以是双向的。并不是只能本体向孪生体输出数据,孪生体也可以向本体反馈信息。企业可以根据孪生体反馈的信息,对本体采取进一步的行动和干预。


数字孪生的价值

工业制造

    数字孪生起源于工业制造领域。工业制造也是数字孪生的主要战场。

    在产品研发的过程中,数字孪生可以虚拟构建产品数字化模型,对其进行仿真测试和验证。生产制造时,可以模拟设备的运转,还有参数调整带来的变化。

    数字孪生能够有效提升产品的可靠性和可用性,同时降低产品研发和制造风险。

    维护阶段,数字孪生也能发挥重要作用。

    正如前文所说,美国空军提出数字孪生,就是为了帮助更好地维护战斗机。

    采用数字孪生技术,通过对运行数据进行连续采集和智能分析,可以预测维护工作的最佳时间点,也可以提供维护周期的参考依据。数字孪生体也可以提供故障点和故障概率的参考。

    数字孪生给工业制造带来了显而易见的效率提升和成本下降,使得几乎所有的工业巨头趋之若鹜。

    以美国通用公司为例。他们号称自己已经为每个引擎、每个涡轮、每台核磁共振创造了一个数字孪生体(截至2018年,GE已经拥有120万个数字孪生体)。

    通过这些拟真的数字化模型,工程师们可以在虚拟空间调试、实验,能够让机器的运行效果达到最佳。

    国内的很多工业科技企业也在数字孪生技术上有所布局,其中包括树根互联、研华科技、软通动力等。


智慧城市

    除了工业制造之外,数字孪生和5G、智慧城市也有非常密切的关系。

    我们知道,5G将开启“万物互联”的时代,它使得人类的连接技术到了前所未有的高度。

    未来,在5G的支持下,云和端之间可以建立更紧密的连接。这也就意味着,更多的数据将被采集并集中在一起。

    这些数据,可以帮助构建更强大的数字孪生体。例如,一个数字孪生城市。

    如今,我们的城市布满了各种各样的传感器、摄像头。借助包括5G在内的物联网技术,这些终端采集的数据可以更快地被提取出来。

    在数字孪生城市中,基础设施(水、电、气、交通等)的运行状态,市政资源(警力、医疗、消防等)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,并通过包括5G在内的物联网技术传递到云端。

    城市的管理者,基于这些数据,以及城市模型,构建数字孪生体,从而更高效地管理城市。

    相比于工业制造的“产品生命周期”,城市的“生命周期”更长,数字孪生带来的回报更大。当然,城市数字孪生的部署难度也更大。

    事实上,印度海德拉巴、新加坡,还有我们中国的深圳、雄安,都已经在做这方面的摸索和尝试。大量的投资,正在涌向“智慧城市+数字孪生”的应用场景。

    阿里的“城市大脑”、“数字平行世界”,还有科大讯飞的“讯飞超脑”,都涉及到智慧城市和数字孪生的结合。

    除了上述领域之外,包括园区、基建工程、医疗、物流、环保等很多场景都适合采用数字孪生技术,应用场景非常广阔。

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