前沿科技 | 数字孪生研究与应用

正文字数：3909字

图片总数：共15张

视频总长：共139秒

“数字孪生”近几年频繁出现在大众视野中，数字孪生的官方定义如下文：

数字孪生（Digital Twin）是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为。

用一句话简单概括：数字孪生就是在一个设备或系统的基础上，创造了一个数字版的“克隆体”。就好比现实世界的你拥有了一个数字世界的 “孪生兄弟”，你俩完美同步，数字世界的他甚至会比你更快地看待未来世界，提前告诉你未来会发生什么，如何应对。

数字孪生体最大的特点在于：它是对实体对象（后称为“本体”）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。

自概念提出以来，数字孪生技术在不断地快速演化，无论是对产品的设计、制造还是服务，都产生了巨大的推动作用。而数字孪生不论是在城市建设管理，还是工业化建设等不同行业的深度推广应用，都带来了无限可能性。一起来看看数字孪生技术有哪些创新应用案例吧。

复杂产品工程领域的“数字样机”

"Digital Prototype" in Complex Product Engineering

数字样机最初是指在CAD系统中通过三维实体造型和数字化预装配后，得到一个可视化的产品数字模型（几何样机），可以用于协调零件之间的关系，进行可制造性检查，因此可以基本上代替物理样机的协调功能。
但随着数字化技术的发展，数字样机的作用也在不断增强，人们在预装配模型上进行运动、人机交互、空间漫游、机械操纵等飞机功能的模拟仿真。之后又进一步与机器的各种性能分析计算技术结合起来，使之能够模拟仿真出机器的各种性能。因此将数字样机按其作用从几何样机，扩展到功能样机和性能样机。
以复杂产品研制而著称的飞机行业，在数字样机的应用上走在了全国前列。某些型号飞机研制工作在20世纪末就已经围绕着数字样机展开。数字样机将承载几乎完整的产品信息。
因此，人们可以通过数字样机进行飞机方案的选择，利用数字样机进行可制造的各种仿真，在数字样机上检查未来飞机的各种功能和性能，发现需要改进的地方，最终创建出符合要求的“数字飞机”，并将其交给工厂进行生产，制造成真正的物理飞机，完成整个研制过程。
无论是几何样机、功能样机和性能样机，都属于数字孪生的范畴。数字孪生的术语虽然是最近几年才出现的，但是数字孪生技术内涵的探索与实践，早已经在十多年前就开始并且取得了相当多的成果。
例如中国航空工业集团第一飞机研究院（简称“一飞院”）在21世纪初开发的飞豹全数字样机与已经服役的飞机形成了简明意义上的“数字孪生”（尽管当时没有这个术语）关系。

工厂生产线运行状态模拟和虚拟调整

Factory production line running state simulation and virtual adjustment

对于正在运行的工厂，通过其数字孪生模型可以实现工厂运行的可视化。包括生产设备目前的状态，在加工什么订单，设备和产线的OEE、产量、质量与能耗等，还可以定位每一台物流装备的位置和状态。对于出现故障的设备，可以显示出具体的故障类型。华龙讯达应用数字孪生技术，在烟草行业进行了工厂运行状态的实时模拟和远程监控实践，中烟集团在北京就可以实现对分布在各地的工厂进行远程监控。

虚拟调试技术在数字化环境中建立生产线的三维布局，包括工业机器人、自动化设备、PLC和传感器等设备。在现场调试之前，可以直接在虚拟环境下，对生产线的数字孪生模型进行机械运动、工艺仿真和电气调试，让设备在未安装之前已经完成调试。

应用虚拟调试技术，在虚拟调试阶段，将控制设备连接到虚拟站/线；完成虚拟调试后，控制设备可以快速切换到实际生产线；可随时切换到虚拟环境，分析、修正和验证正在运行的生产线上的问题，避免长时间且昂贵的生产停顿。

虚拟调试技术对企业的价值体现在：早期验证优化研发+工艺+制造的可行性，减少物理样机投入成本；减少去用户现场做机器人调试时间和出错率，节约出差成本；虚实融合后为整个工厂的数字孪生打好基础，工厂建成之后可以与SCADA系统融合，打造基于三维模型的可视化监控系统，实现工厂的数字孪生。

美的集团旗下的美云智数的MIoT.VC系统提供了基于数字孪生的虚拟调试解决方案。其组件库内置1400多个机器人组件，内置KUKA、ABB、安川、川崎等各主流机器人协议；可以通过图形示教，可以快速进行机器人姿态设计、运动路径干涉检查和姿态合理性分析；支持机器人姿态和轨迹的离线编程与虚拟调试，与现场设备的实时联机；支持喷涂、焊接等机器人动作示教、离线编程及虚拟调试。

产品的运行监控和智能运维

Product operation monitoring and intelligent operation and maintenance

由于每台航空发动机的飞行履历不同，飞行的环境不同，健康服役的寿命，以及维护历史差别很大，因此，可以对每台航空发动机建立其对应的数字孪生模型实施监控。GE航空对于正在空中运行的航空发动机进行实时监控，一旦出现故障隐患，可以通过对数字孪生模型的分析来预测风险等级，及时进行维修维护，显著提升了飞行安全。GE航空通过数字孪生模型记录了每台航空发动机每个架次的飞行路线、承载量，以及不同飞行员的驾驶习惯和对应的油耗，通过分析和优化，可以延长发动机的服役周期，并改进发动机的设计方案。

在数字孪生应用领域，GE与Ansys公司开展了战略合作。通过数字孪生技术的应用，实现产品的健康管理、远程诊断、智能维护和共享服务。通过结合传感器数据和仿真技术，帮助客户分析特定的工作条件并预测故障，从而节约运维成本。GE航空通过汇总设计、制造、运行、完整飞行周期的相关数据，预测航空发动机的性能表现：

○ 将发动机传感器数据与性能模型结合，根据运行环境的变化和物理发动机性能的衰减，构建自适应模型，精准监测航空发动机的部件和整机性能；

○ 将发动机历史维修数据中的故障模式注入三维结构模型和性能模型,构建故障模型，应用于故障诊断和预测；

○ 将航空公司历史飞行数据与性能模型结合并融合数据驱动的方法，构建性能预测模型，预测整机性能和剩余寿命；

○ 将局部线性化模型与飞机运行状态环境模型融合并构建控制优化模型，实现发动机控制性能寻优，使发动机在飞行过程中发挥更好的性能。

西门子将来自智能传感器的温度、加速度、压力和电磁场等信号和数据，以及来自数字孪生模型中的多物理场模型和电磁场仿真和温度场仿真结果传递到Mindspere平台，通过进行对比和评估，来判断产品的可用性、运行绩效和是否需要更换备件。

在复杂装备的运维方面，可以通过增强现实技术，基于产品的数字孪生模型生成产品操作、装配或拆卸的三维动画。在实物环境下，透过各种穿戴设备或移动终端进行示教。PTC提供了先进易用的增强现实应用平台。

装配式工程实训教学

Assembly engineering practical training teaching

大雁教育通过设计缩比仿真物理模型结合数字孪生相关技术，自主创新研发DTM数字孪生模型（Digital Twin Module ），在虚实空间中完成映射，实现对真实设备的三维可视化双向同步，解决大场景、不可逆项目的全周期建设。

基于DTM数字孪生模型，结合AIoT-cp物联平台、三维可视模型、流式数据追踪、GCL技术等，大雁教育自主研发打造出多场景、多体系的智能制造教学实训装备——装配式工程IDT实战演练系统。装配式IDT深度融合建筑工程岗位特色，配置四大岗位工种、涵盖装配式施工的全流程、模拟真实建筑施工环境，形成教学、实训、考核、比赛、评价一体化的实战操作环境。

此外，通过将数字孪生与物联网、智能计算等前沿技术结合，将教学与岗位所涉及的所有现实与虚拟的环境因子互相链接、互相映射，并通过深度运算和前瞻模拟实现进程式发展，打造虚实结合的拟态教育，创造职业教育新生态。

5D全域数智校园

5D Global digital Intelligence campus

基于DTM数字孪生技术创造与真实校园1:1的数字孪生校园，通过全域数字校园5D管理平台，可覆盖应用安全管理、校务管理、教学管理、场所管理、资产管理、能源管理、师生管理七大场景，实现精准映射，地空传感布设，实现校园基础设施的全面数字化，实现人员、车辆动态信息在仿真空间实时留痕，模拟人、物在真实校园中发展轨迹，并预判发展方向，还能对潜在危险进行智能预警和合理建议。

NIKE数字化跑道

NIKE Digital Track

耐克公司创造了众多令人惊叹的作品。位于菲律宾马尼拉的BGC 全球城(Bonifacio Global City )的“Unlimited Stadium”，被称为“世界上第一个LED跑道”。跑道的周长是全尺寸的LED面板。

跑道的布局源自 NIKE LunarEpic 跑鞋的足迹，并采用了多种颜色的灯光照明。从空中俯瞰，整个跑道的形态就是一个巨大的脚印，犹如巨人一脚踩在了城市中心。200米长的跑道采用8字形，上面排有LED屏幕，多达30个跑步者可以参加虚拟对抗。这个跑道同时也像代表着无限和无穷大的符号：∞，这个符号在神学、哲学、数学和日常生活中有着不同的概念。在这儿则代表着Nike 鼓励大家挑战自己的极限。