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安歌科技:數字孿生的前世

2025China.cn   2023年01月09日

近年來(lái),被各行各業(yè)反復提到的高頻詞、熱點(diǎn)詞、關(guān)鍵詞中,“數字孿生”一定榜上有名,全球IT研究與顧問(wèn)咨詢(xún)公司Gartner連續三年將數字孿生列為十大戰略科技發(fā)展趨勢之一。同時(shí),數字孿生由于其應用面廣泛的特點(diǎn),在大如智慧城市、數字城市,水利、天然氣工程建設,小到產(chǎn)線(xiàn)監測、設備狀態(tài)監測都得到了廣泛應用。

因此不少小伙伴都會(huì )對“數字孿生”感覺(jué)既熟悉又陌生,那么,數字孿生的發(fā)展歷史是怎樣的?這項技術(shù)可以實(shí)現怎樣的需求?目前在哪些方面得到了應用又與我們的生活有什么關(guān)系?

對于這些大家好奇的問(wèn)題,我們將通過(guò)兩期為大家通俗易懂的解讀數字孿生的“前世”與“今生”。

數字孿生究竟是什么?

數字孿生(Digital Twins)也叫:信息鏡像模型、Cyber-Physical System(CPS)。數字孿生的名詞詳細解釋為:“數字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數據,集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程,在虛擬空間中完成映射,從而反映相對應的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。

人體數字孿生技術(shù)

如果你覺(jué)得上述解釋太官方、不容易理解的話(huà),那我們來(lái)舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子,比如先通過(guò)計算機在虛擬世界建一個(gè)與你一模一樣數字的模型,而后通過(guò)你隨身佩戴的智能手環(huán)、血氧儀、血壓計、血糖儀等智能穿戴裝備、傳感器實(shí)時(shí)記錄下你身體的內的各項指標,并向后臺發(fā)送各種你身體的參數,你變化了,數字模型也變化了,把人換成機械、生產(chǎn)線(xiàn)、建筑同理。因此,我們可以這樣理解,數字孿生就是一面三維的、透視的鏡子,隨時(shí)隨地跟隨著(zhù)你的變化而變化。

航空器數字孿生

所以,數字孿生是一種超越現實(shí)的概念,可以被視為一個(gè)或多個(gè)重要的、彼此依賴(lài)的數字映射系統。

關(guān)于數字孿生的誕生歷史有多種說(shuō)法,但尚未形成權威的定義,這里為大家一一列出:

說(shuō)法一,密歇根大學(xué)的 Michael Grieves 博士率先提出,并命名為“信息鏡像模型”(Information Mirroring Model),而后演變?yōu)椤皵底謱\生”。據其自稱(chēng),他曾在2002年密歇根大學(xué)PLM中心一次演講中、2003年的一次高管培訓上都提出了數字孿生的概念(順便說(shuō)一下,中國數字孿生研究先行者陶飛教授也是密歇根大學(xué)的訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者,因此這個(gè)說(shuō)法具有一定可信度)。

Michael Grieves 博士

說(shuō)法二,美國國防部最早提出利用Digital Twin技術(shù),用于航空航天飛行器的健康維護與保障。首先在數字空間建立真實(shí)飛機的模型,并通過(guò)傳感器實(shí)現與飛機真實(shí)狀態(tài)完全同步,這樣每次飛行后,根據結構現有情況和過(guò)往載荷,及時(shí)分析評估是否需要維修,能否承受下次的任務(wù)載荷等。

說(shuō)法三,2012 年 NASA 給出了數字孿生的概念描述:數字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數據,集成多學(xué)科、多尺度的仿真過(guò)程,它作為虛擬空間中對實(shí)體產(chǎn)品的鏡像,反映了相對應物理實(shí)體產(chǎn)品的全生命周期過(guò)程。

波音777 X

但是無(wú)論怎么說(shuō),有記載的、將數字孿生初期技術(shù)應用在商業(yè)實(shí)戰領(lǐng)域的案例是:2010年前后波音公司在研制新款波音-777客機的整個(gè)研發(fā)過(guò)程都沒(méi)有使用過(guò)任何的圖紙模型,所涉及的300多萬(wàn)個(gè)零部件完全依靠數字孿生技術(shù)進(jìn)行模擬、實(shí)驗。據報道,該技術(shù)幫助波音公司減少了50%的返工量,有效縮短了40%的研發(fā)周期。

數字孿生在中國

北京航天航空大學(xué)陶飛教授

2009在美國密歇根大學(xué)從事先進(jìn)制造技術(shù)和信息化方向研究學(xué)者陶飛回到中國,被直評為北京航天航空大學(xué)副教授,在美國了解到數字孿生技術(shù)種種優(yōu)勢的陶飛教授決定將這項最新的技術(shù)在國內研究并推廣,他召集了十余名研究生創(chuàng )造中國第一個(gè)數字孿生研究小組,自此開(kāi)啟了一段長(cháng)達數十年的研究之路。從組建團隊到理論探索,再到技術(shù)的攻關(guān)、實(shí)際應用案例的部署和研發(fā),陶飛教授的團隊成為了國內最早一批研究數字孿生技術(shù)的學(xué)者。

第一屆數字孿生與智能制造服務(wù)學(xué)術(shù)研討會(huì )合影

從2010年第一篇數字孿生研究論文被退稿,到2019年世界頂級期刊《Nature》向陶飛的團隊發(fā)出邀請,再到同年與航天五院建立合作關(guān)系、在衛星總裝車(chē)間的設計部署及驗證上成功落地。十年堅持不懈的努力,從被退稿走向了受邀撰稿,不僅僅意味著(zhù)陶飛團隊的成功與研究閉環(huán),更代表著(zhù)中國在數字化轉型、智能化升級和制造能力的提升受到了國際的關(guān)注與認可。

(轉載)

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