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深入浅出,什么是数字孪生?

2019-12-26 09:56 鲜枣课堂

导读:相信很多人都听说过数字孪生。在过去几年,这个词的热度不断攀升,频繁出现在各大峰会论坛的演讲主题之中,备受行?#30340;?#22806;的关注。

今天小枣君要给大家介绍的,是一个听起来就很高大上的概念——数字孪生。

相信很多人都听说过数字孪生。在过去几年,这个词的热度不断攀升,频繁出现在各大峰会论坛的演讲主题之中,备受行?#30340;?#22806;的关注。

究竟什么是数字孪生?它是谁提出来的?它会给我们的生活带来什么样的改变?

带着这些问题,我们来看今天这篇文章——

什么是数字孪生

数字孪生,英文名叫Digital Twin(数字双胞胎),也被称为数字映射、数字镜像。

它的官方定义?#27973;?#22797;杂,是这么说的:

数字孪生,?#27973;?#20998;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。

看晕了吧?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?#20445;?#20063;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(?#20204;?#23601;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?#31243;?#20214;,都会复现到“孪生体”身上。

如果需要做系?#25104;?#35745;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?#23433;?#21697;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?#34987;?#20934;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。

数字孪生的起源

说到“数字孪生”这个概念的发明者,行业里并没有明确的说法。

很多人认为,数字孪生是美国密歇根大学教授Michael Grieves博士于2002年提出的。

Michael Grieves博士

但这种说法并没有书面的文献或资料可以支撑。

Michael Grieves博士在2014年发布的文章中,曾经“追溯”自己曾经在2002年密歇根大学PLM中心一次演讲中,提及了类似数字孪生的相关概念。他还“追溯”自己曾经在2003年的一次高管培训上,提出了“物理产品的数字等同体或数字孪生体概念”。

然而,这些都没有确凿的文献或影像资?#29616;?#25454;。

真正有据可查的“数字孪生?#22791;?#24565;提出者,是美国空军研究实验室(AFRL,Air Force Research Laboratory)。

AFRL徽标

2011年3月,美国空军研究实验?#21307;?#26500;力学部门的Pamela A. Kobryn和Eric J. Tuegel,做了一次演讲,题目是“Condition-based Maintenance Plus Structural Integrity (CBM+SI) & the Airframe Digital Twin(基于状态的维护+结构完整性&战斗机机体数字孪生)?#20445;?#39318;次明确提到了数字孪生。

当时,AFRL希望实现战斗机维护工作的数字化,而数字孪生是他们想出来的创新方法。

当美国空军意识到数字孪生具有很强实用意义的同时,另一家企业也对数字孪生产生了浓厚的兴趣,它就是美国通用电气公司(GE)。

美国通用电气公司(GE)

美国通用电气公司在为美国国防部提供F-35联合攻击机解决方案的时候,发现了数字孪生体的价值。

不知道大家是否还记得小枣君之前那篇介绍工业4.0的文章?是的,美国通用电气公司,就是美国先进制造战略(美国版的工业4.0)的主要推手。

当时的美国通用,一直在致力于研究工业数字化,以及如何构建工业互联网体系。显然,数字孪生对工业4.0?#27973;?#26377;用,可以说是如鱼得水。

再后来,德国西门子(德国工业4.0的代表企业)也跟着?#24403;?#20102;数字孪生,将其奉为至宝。

2015年左右,中国也开?#20960;?#36827;。当时包括工业4.0研究院在内的多家国内研究机构和企业,?#36861;?#21551;动了数字孪生相关的研究课题。

从那之后,数字孪生这个概念,就开始风?#19968;?#32852;网和产业界,直至今日。

数字孪生的价值

只是建了一个数字孪生体,凭什么说它会影响第四次工业革命的发展?它到底能给传统产业带来哪些?#20040;?

我们通过案例来解释说明一?#38534;?/p>

工业制造

数字孪生起?#20174;?#24037;业制造领域。工业制造也是数字孪生的主要战场。

生产流程数字孪生模型(?#35745;?#26469;自德勤大学出版社)

前面我们介绍数字孪生概念的时候,其实已经提到了这块的内容。

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?#34892;?#25552;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?#23478;?#25454;。数字孪生体也可以提供?#25910;?#28857;和?#25910;?#27010;率的参考。

数字孪生给工业制造带来了显而?#20934;?#30340;效率提升和成本下降,使得几乎所有的工业巨?#38750;?#20043;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?#26032;幀?#27599;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)。

?#35745;?#26469;自GE官网

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?#27973;?#23494;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?#20174;?#30340;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?#24515;?#22411;,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?#23433;?#21697;生命周期?#20445;?#22478;市的“生命周期?#22791;?#38271;,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。

?#29575;?#19978;,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?#32479;?#35797;。大量的投资,正在涌向“智慧城市+数字孪生”的应用场景。

Virtual Singapore(虚拟新加坡)计划

阿里的“城市大脑”、“数字平行世界?#20445;?#36824;有科大讯飞的“讯飞超脑?#20445;?#37117;涉及到智慧城市和数字孪生的结合。

基建工程

基建工程也是数字孪生的一个重要应用领域。尤其是对中国这个“基建狂魔”来说,引入数字孪生意义更加重大。

我们在修建高速公路、桥梁等基础设施前,完成对工程的数字化建模,然后在虚拟的数字空间对工程进行仿真和模拟,评估工程的结构?#32479;?#21463;能力,还可以导入流量数据,评估工程是否可以满足投入使用后的需求。

在工程交付之后,还可以在维护阶段评估工程是否可以承担特殊情况的压力。以及监测可能出现的事?#23460;?#24739;。

除了?#40092;?#39046;域之外,包括医疗、物流、?#32321;?#31561;很多场景都适合采用数字孪生技术,应用场景?#27973;?#24191;阔。

结 语

总而言之,数字孪生是一项?#27973;?#26377;潜力的?#25226;?#25216;术,会给企业带来丰厚的价值回报。

也正因为如此,很多投资机构趁机热炒数字孪生的概念,也有很多企业迫不及待想要?#24403;?#25968;字孪生。

根据全球知名咨询公司Gartner2019年初的调查,部署物联网的企业和组织中,已有13%应用数字孪生,62%的组织正在准备使用数字孪生。

Gartner还将数字孪生列为2019年十大战略性技术趋势。

但是,我们还是应该理性看待数字孪生。

?#24403;?#25968;字孪生,既需要深厚的技术沉淀,也需要巨大的资?#40540;?#20837;,还需要管理水平和员工技能达到相应的层次。

目前这个阶段,国内大部分企业都不具备这个条件。如果盲目跟风、仓促上马,投资很可能会血本无归。

相对来说,潜心研究、客观评?#39304;?#35880;慎投入,才是打开数字孪生世界的正确姿势。

好啦,今天的内容就到这里,?#34892;?#22823;家的耐心阅读,我们下期再见!

参考文献:

1、《工业4.0与数字孪生》,德勤

2、《数字孪生体是谁提出的?》,工业4.0研究院

3、《数字孪生:为城市和你创造一个虚拟副本》,陈龙

4、《数字孪生:打造生力产品,重塑客户体验》,埃森哲




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