数字孪生，不破不立- 大数跨境

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数字孪生，不破不立

哈工智能

2021-06-25

导读：将“智造管理”精细到“细胞级”

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最近业内有一个很火的概念：“数字孪生”。

各大机构也对它非常重视。国际知名调研机构Gartner连续四年将“数字孪生”入选“十大战略科技发展趋势” ，并在2019年的报告中预测，到2021年，半数的大型工业企业将使用数字孪生，从而使这些企业的效率提高10%。洛克希德·马丁公司视它为未来国防工业6大顶尖技术之首。美国GE公司已为每个引擎、每个涡轮、每台核磁共振，创造了一个数字孪生体。

今年4月，国家发展改革委重磅发布《关于推进“上云用数赋智”行动培育新经济发展实施方案》，其中“数字孪生”技术被提及多次，和人工智能、5G、物联网等前沿技术一样，受关注程度上升到国家高度。

然而，数字孪生到底是什么？如何助力工业4.0？智能制造又将如何被变革？本期「Robot 星球」，哈妹带你一文了解。

在5G技术下，数字孪生逐步从概念走向落地，让“智造”管理走向“细胞级”。

数字孪生，不仅仅是镜像

数字孪生概念的提出可以追溯到2002年，美国密歇根大学Grieves教授在向工业界展示如何进行产品生命周期管理时提出的两个系统：真实系统和虚拟系统，并提出了“信息镜像模型”概念，后被称作“数字孪生”。

“数字孪生”是指以数字化方式拷贝一个物理对象，模拟对象在现实环境中的行为，对产品、制造过程乃至整个工厂进行虚拟仿真，帮助企业在实际投入生产之前即能在虚拟环境中优化、仿真和测试，在生产过程中也可同步优化整个企业流程，最终实现高效的柔性生产、实现快速创新上市，锻造企业持久竞争力。

通俗一点说，“数字孪生”是把真实世界的真实事物，可以是物体，也可以是某种过程，经过精确测量后，在虚拟空间创造出的可以反映真实情况的数码复制体。它可以帮助人们实现前期工程仿真测试、中期制造全流程监管、后期产品问题追溯。

物理世界与数字世界如何协同

图源：《工业4.0与数字孪生》，德勤

与“数字孪生”不同的是，仿真是基于现实的规律，创造出虚拟的物体，而“数字孪生”是真实事物的“数字体”，不仅仅是物理世界的镜像，也要接受物理世界实时信息，更要反过来实时驱动物理世界，而且进化为物理世界的先知、先觉甚至超体。

两者都是工业4.0的好帮手，“数字孪生”更是未来企业实现转型与创造价值的重要驱动力。

“数字孪生”如何应用？又有何用？

以汽车制造为例，汽车制造工厂的数字孪生是什么样子？

先聊一聊汽车制造目前遇到的困境。现代制造业工程越来越复杂。系统组件越来越多，且组件与组件之间的交互会衍生出一些新的特质；动态特性强，系统状态随时间快速变化；不确定性大，系统材料、结构以及周围环境存在众多不确定因素。

汽车工业，是人类制造业的明珠之一。它是一种典型的离散制造：一辆汽车由3000多类、3万～5万种零部件组成，生产过程要经历冲压、焊装、涂装、总装、电池五大车间、200多种加工工艺。产品的生产过程通常被分解为很多零件，在不同的工厂甚至不同的企业里生产，每个车间的生产设备完全不一样，生产过程更为复杂多变，十分考验企业管理生产的能力。

这样的制造体系复杂且庞大，如何进行精准管理一直是业内待攻破的难题，而数字孪生技术的应用，将能很好地解决这个问题。

数字孪生能实现真实工厂1：1还原成“数字体”，大到整厂五个车间，小到车间里每台设备和每一个生产动作，都映射在“数字体”上。人在办公室，就能轻而易举看到生产现场的一举一动，直接通过搜索定位、“拖拉拽”等简单交互，就能定位到生产线的每一个细节。

数字孪生示意图

图源：优也公司

除了远程查看，数字孪生让监管精细到“细胞级”。依托数字孪生而实现的实时数据分析、自动提醒与报错的功能，能使得制造现场的每一个生产细节都在监管范围之内，一旦出现制造偏差，比如一个小小的螺丝钉没有拧紧，系统就会自动提醒。

除了实时监管，“回放”也是数字孪生的重要功能。借助数字孪生，工程师们可以快速追溯生产数据，甚至细化到当时螺丝的力矩，更容易分析故障的原因；在车辆交付给消费者后， “回放”仍然可以在售后服务中发挥作用。

数字孪生技术在产品的运行监控和智能运维，工厂运行状态的实时模拟和远程监控，以及生产线虚拟调试、机电软一体化复杂产品研发等方面，正在给制造业创造巨大价值。通过数字孪生技术的使用，能大幅推动产品在设计、生产、维护及维修等环节的变革，极大降低运营成本，提高安全性。

“数字孪生”困难重重，但不破不立

不过，应用数字孪生技术并不是一件容易的事情。

全球知名的未来学家ThomasFrey预测，到2022年，85％的物联网平台将使用数字孪生技术进行监控，少数城市将率先利用数字孪生技术进行智慧城市的管理。但目前还存在很多的困境。

随着工厂自动化设备越来越多，设备接入点位和十年前相比，可能增加了二、三十倍。孪生世界要与物理世界完成“一一对应”，就意味着工程师要用大量三维技术还原工厂设备。全域感知、运行监测，并整合历史积累数据进行运算，数据采集的工作量之大、之细，将是数字孪生技术落地的一大挑战。

数字孪生系统的通用参考架构

图源：《数字孪生体白皮书》

其次软件上，数字孪生需要更加先进的算法，各类软件的整合，例如利用人工智能、边缘计算等技术，对数据做到快速及时地输出、极速地分析处理、可视化呈现，这对数据处理的平台性能提出极高要求。

再者实时性，数字孪生是动态而非静态的，因此在前期采集好数据、完成数据的平台承载后，后期生产过程中以及产品交付后的动态数据采集、反馈与分析，又是另一道难关。

目前数字孪生技术落地的瓶颈来自方方面面，但它可以为工业制造、未来生活带来无限的可能。

凡事不破不立，困难当道更是破局者先。如今，数字孪生的概念得到各领域的广泛重视，各类应用概念层出不穷：

产品研发：通过构建产品的数字孪生体，改变传统的产品研发模式。

智能制造：数字孪生车间的概念，通过物理世界和信息世界的交互与共融，实现智能制造。

寿命管理：劳斯莱斯公司推出了智能发动机的概念，该发动机能够“感知”周围环境并进行相应的自我调整，延长使用寿命。

智慧校园：佐治亚理工学院推出智慧校园的概念，实现了校园能耗系统的态势感知、预测、优化和虚拟试验。剑桥大学也建立了类似的动态数字孪生演示系统。

未来，随着成像技术和物联网等新兴技术的进一步发展，数字孪生技术的应用领域将得到进一步拓展。

制造业数智化转型，数字孪生不能缺席。

在今年9月举办的第 23 届中国国际工业博览会上，哈工智能将在8.1国际馆参展，并可能于业内率先在现场展示数字孪生概念，现场观众可手动操作以实时交互数字孪生技术，体验其实时性、保真性、闭环性。欢迎持续关注。哈工智能也将秉持“科技、智能，与世界一同成长”的理念，紧跟时代步伐，以先进技术夯实智能制造主营业务的核心竞争力。

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