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什么是数字孪生?终于有人讲明白了色洛落

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发表于 2020-7-1 06:09 | 显示全部楼层 |阅读模式
我的关键词 什么是数字孪生?终于有人讲明白了色洛落  新闻
我的关键词 什么是数字孪生?终于有人讲明白了色洛落  新闻


作者 | 赵敏 宁振波题图 | 视觉中国根源 | 大数据DT(ID:hzdashuju)

导读:数字孪生(Digital Twin)已经走过了几十年的成长进程,只不外畴前没有这样命名,而是成长到了必定阶段,人们意想到应当给这类综合化的技术起一个更确切的名字。
本文论述的数字孪生有两层意义,一是指物理实体与其数字虚体之间的正确映照的孪生关系;二是将具有孪生关系的物理实体、数字虚体别离称作物理孪生体、数字孪生体。默许情况下,数字孪生亦指数字孪生体。
我的关键词 什么是数字孪生?终于有人讲明白了色洛落  新闻

理论先行,概念后成
数字孪生是客观全国中的物化事物及其成长纪律被软件界说后的一种成果。丰富的产业软件内在以及强大的软件界说成果,让数字孪生的研讨在国内外出现出百花齐放的态势。作者以为数字孪生与盘算机帮助(CAX)软件(特别是广义仿真软件)以及数据采集/分析的成长关系很是亲近。
在产业界,人们用软件来模拟和增强人的活动方式,例如,盘算机绘图软件最早模拟的是人在纸面上作画的活动。人机交互技术成长成熟后,以下模拟活动起头出现:

  • 用CAD软件模拟产物的结构与概况
  • CAE软件模拟产物在各类物理场情况下的力学性能
  • CAM软件模拟零部件和夹具在加工进程中的刀轨情况
  • CAPP软件模拟工艺进程
  • CAT软件模拟产物的丈量/测试进程
  • OA软件模拟行政事务的治理进程
  • MES软件模拟车间生产的治理进程
  • SCM软件模拟企业的供给链治理
  • CRM软件模拟企业的销售治理进程
  • MRO软件模拟产物的维修进程治理,等等

依靠软件中的某些特定算法,人们已经开辟出了某些具有必定智能水平的产业软件,如具有关联筹划成果的产物筹划系统。
在文学与文娱界,人们用软件来模拟和增强人的体验方式,例如:

  • 用电子书来模拟纸质书
  • 用电子音乐来模拟现场音乐
  • 用电子琴软件来弹琴
  • 用评书软件来说书
  • 用卡通软件来模拟漫画
  • 用动漫软件来模拟动画影片
  • 用游戏软件来模拟各类实在游戏
  • 用百年历软件来快速查找某个出格日期或“吉时”等

人们不单可以模拟已知的、有履历的各类事物,还可以缔造性地模拟各类未知的、从未体验过的事物,例如影视界可以用软件缔造出诸如龙、凤、麒麟、阿凡达、白雪公主、七个小矮人等故事中的形象,固然也可以缔造出更多的不足为奇、见所未见的各类形象。
出格是当这类模拟与VR/AR技术团结在一路的时候,全数的场景都宛在现在,直入心情。因而,在由数字虚体组成的捏造全国中,全数的不大要都酿成有大要,全数的在物理全国没法体验和反复的奇妙、惊险和刺激场景,都可以在数字空间得以实现,最大限度地满足了人的感官体验和精神需求。
究竟上,十几年前在汽车、飞机等复杂产物工程范围出现的“数字样机”的概念,就是对数字孪生的一种先行理论活动,一种技术上的孕育和前奏。
数字样机最初是指在CAD系统中经过三维实体外型和数字化预装配后,获得一个可视化的产物数字模子(几多样机),可以用于和谐零件之间的关系,举行可制造性检查,是以可以底子上取代物理样机的和谐功用。
但随着数字化技术的成长,数字样机的感化也在不停增强,人们在预装配模子上举交活动、人机交互、空间周游、呆板利用等飞机功用的模拟仿真。以后又进一步与呆板的各类性能分析盘算技术团结起来,使之可以大要模拟仿真出呆板的各类性能。是以将数字样机按其感化从几多样机,扩大到功用样机和性能样机。
以复杂产物研制而著称的飞机行业,在数字样机的利用上走在了全国火线。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物信息。
是以,人们可以经过数字样机举行飞机计划的挑选,利用数字样机举行可制造的各类仿真,在数字样机上检查未来飞机的各类功用和性能,发现需要改良的地方,终极建立出合适要求的“数字飞机”,并将其交给工场举行生产,制形成实在的物理飞机,完成全部研制进程。
不管是几多样机、功用样机和性能样机,都属于数字孪生的范围。数字孪生的术语固然是近来几年才出现的,可是数字孪生技术内在的摸索与理论,早已经在十多年前就起头而且获得了相当多的成果。
例如中国航空产业团体第一飞机研讨院(简称“一飞院”)在21世纪初开辟的飞豹全数字样机与已经退役的飞机构成了简明意义上的“数字孪生”(尽管那时没有这个术语)关系,如图5-1所示。
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▲图5-1 飞豹全数字样机与退役飞机
成长到现在,人们发现在数字全国里做了这么多年的数字筹划、仿真、工艺、生产等成果,越来越真假对应,越来越真假融合,越来越普遍利用,数字虚体越来越赋能于物理实体系统。
近些年,当人们提出了盼望物理空间中的实体事物与数字空间中的捏造事物之间具有可以连接数据通道、相互传输数据和指令的交互关系以后,数字孪生概念底子成形,而且作为智能制造中一种基于IT视角的新型利用技术,渐渐走进人们的视野。
究竟上,现有的产业软件研发与生产数据以及堆积在产业范围内的大量的产业技术和常识,都是实现数字孪生的上好“材料”和底子构件,数字孪生在产业现实场景中已经具有了实现和推行利用的庞大潜力。
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内在解读,见仁见智
按照现在看到的材料,数字孪生术语由迈克尔·格里夫(Michael Grieves)教授在美国密歇根大学任教时首先提出。
2002年12月3日他在该校“PLM开辟同盟”建立时的讲稿中初度图示了数字孪生的概念内在,2003年他在讲授PLM课程时利用了“Digital Twin(数字孪生)”,在2014年他撰写的“数字孪生:经过捏造工场复制实现精采制造(Digital Twin:Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication)”文章及第行了较为具体的论述,奠基了数字孪生的底子内在。
在航太范围和产业界,较夙起头利用数字孪生术语。2009年美国空军实行室提出了“机身数字孪生(Airframe Digital Twin)”的概念。2010年NASA也起头在技术门路图中利用“数字孪生(Digital Twin)”术语。
大约从2014年起头,西门子、达索、PTC、ESI、ANSYS等着名产业软件公司,都在市场宣传中利用“Digital Twin”术语,并持续在技术构建、概念内在上做了很多深入研讨和拓展。
数字孪生尚无业界公认的标准界说,概念还在成长与演变中。下面举例几个国内外企业或机关做的数字孪生界说,供读者参考。

  • 美国国防采办大学以为:数字孪生是充实利用物理模子、传感器更新、运转历史等数据,集成多学科、多物理量、多标准的仿真进程,在捏造空间中完成对物理实体的映照,从而反应物理实体的全生命周期进程。


  • ANSYS公司以为:数字孪生是在数字全国建立一个与实在全国系统的运转性能完全同等,且可实现实时仿真的仿真模子。利用安装在实在系统上的传感器数据作为该仿真模子的鸿沟条件,实现实在全国的系统与数字全国的系统同步运转。


  • 中国航空产业成长研讨中心刘亚威以为:从本质上来看,数字孪生是一个对物理实体或流程的数字化镜像。建立数字孪生的进程,集成了野生智能、呆板进修和传感器数据,以建立一个可以实时更新的、现场感极强的“实在”模子,用来支持物理产物生命周期各项活动的决议。


  • 上海优也信息科技有限公司首席技术官林诗万博士对数字孪生的大白是,数字孪生体可有多种基于数字模子的表示形式,在图形上,有几多、高保真、高分辨率衬着、笼统简图等;在状态和活动上,有装备运转、受力、磨损、报警、宕机、事变等;在质地上,有材质、表面特征、微观材料结构等。如图5-2所示。

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▲图5-2 数字孪生表示图(来自优也公司)

  • 北京航空航天大学张霖教授以为,“数字孪生是物理工具的数字模子,该模子可以经过罗致来自物理工具的数据而实时演变,从而与物理工具在全生命周期连结同等。”


  • 作者经过量年研讨,也给出了自己的大白和界说:数字孪生是在“数字化齐全可以数字化的事物”大背景下,经过软件界说和数据驱动,在数字虚体空间中建立的捏造事物,与物理实体空间中的现实事物构成了在形、态、质地、活动和成长纪律上都极为类似的真假正确映照关系,让物理孪生体与数字孪生体具有了多元化映照关系,具有了差此外保真度(传神、笼统等)。

数字孪生不但持续发生在物理孪生体全生命周期中,而且数字孪生领会超越物理孪生体生命周期,在数字空间持久存续。充实利用数字孪生可在智能制造中孕育出大量新技术和新形式。
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数字孪生,非双非胎
“Digital Twin”在翻译和大白上很有不同,歧义性发生在数字孪生利用处景中人们对“Twin”的大白上。“Twin”作为称号在英汉辞书中有几种翻译成果:“孪生子之一,双胞胎之一;两个相像的人或物之一;成对、成双的工具;孪晶;双人床”。
假如仅看直译成果,双胞胎是正确翻译,可是假如细致分析该术语的利用处景,上述翻译成果都不贴切,只要“孪生子之一”还算靠近“Digital Twin”所描摹的利用处景中的概念。而作者恰恰要夸大的是“Digital Twin”术语的利用处景。
1. 只要“相像”而无“相当”
在相像水平上,从“生物场景/物理场景”的“Twin”,引伸到“数字化场景”的“Digital Twin”,其本意是夸大在数字空间构建的数字虚体与物理空间的物理实体很是相像。
可是,相像归相像,不管相互何等像,两者也不是“是”“即是”或“相当”的关系,由于本非同源或同生,一个数字虚体不管何等像一个物理实体,它也不是物理实体——这个客观究竟必须界定清楚。
“Digital Twin”描摹的“相像”,凡是都仅仅是指数字虚体和物理实体在概况和宏观结构上的“相像”,而从形、态、质地、活动和成长纪律等多方面的评价目标来看,实在差别极大,本质根源不同。
“数字双胞胎”一词,较轻易指导人们把两者完全同等起来,把“貌似千篇同等”误以为“就是千篇同等”甚至“相当”,从而构成认知错觉。
2. 数字孪生关系并不止于“双”
即使从“相像”来看,在所指上也并非限于“双”,由于“双”字会把更多的匿伏利用处景限制住——相相互像的真假映照事物一定只要貌似常见的“一对一”关系,实在另有以下真假映照对应关系:

  • “一对多”——一个物理实体对应多个数字虚体(一台汽车策动机可有D /N/S等差此外驾驶挡位,启动/高速/低速/磨合/磨损等差此外工作状态,对此,在车载软件中用差此外参数和软件模子来描摹和调控);
  • “多对一”——多个物理实体对应一个数字虚体(例如同型号不同尺寸的螺栓或铆钉对应同一个三维CAD模子);
  • “多对多”——更加一样平常化的装备工作场景(例如筹划阶段因数字化“构型/设备”不同而发生了系列化物理装备及其数字孪生体,这些装备及其数字孪生体又置身于多种实物工作场景和数字场景)。

3. 需要考虑的出格对应形式
在一些出格场景中,数字孪生还存在“一对少”“少对一”“一对零”“零对一”的出格对应形式:

  • “一对少”——一个物理实体对应一个高度笼统的数字虚体(例如一辆高铁在调节上对应一个高度简化的数字化线框模子);
  • “少对一”——以一部分物理实体对应一个完整数字虚体(例如一个齿轮副对应一个减速箱的“三维CAD模子+力学载荷模子”);
  • “一对零”——由于不知其纪律、缺少机理模子致使某些已知物理实体没有对应的数字虚体(例如暗物资、天气变化纪律等);
  • “零对一”——人类凭设想和创意在数字空间缔造的“数字虚体”,现实中没有与其对应的“物理实体”(例如数字创意中的各类形象)。

一架战役机由数万个结构件、几十万个标准件、大量的电子元器件和机载装备组成。
在从飞机的计划筹划,到初步筹划、具体筹划、试制、实验,再到批生产、托付、运转、保护、维修,末端再到报废的全生命周期中,一个标准件数字模子会对应不计其数个实物零件,一个实物零件也会对应产物筹划模子、多个仿真模子、工艺模子、工艺仿真模子、生产模子、装配模子、保护维修模子等,由此构成了物理实体和数字虚体的多元化对应关系,即“一对一”“一对多”“多对一”“多对多”“一对少”“少对一”“一对零”“零对一”。是以只谈“一对一”就显得在大白上过于简单了。
综上所述,“Digital Twin”一词在翻译和大白时,既不应限制在“双”,也不宜大白为“胎”。该词借用“Twin”之意,所表达的是一种数字虚体与物理实体很是相像的多元化真假映照关系。
利用处景和对应形式是多种多样的。
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虚体测试,实体创新
数字虚体与物理实体之间的孪生关系,实在早就有之,只不外此前没有益用严酷界说的术语来表达。
平常大家所说的“比特(bit)与原子(atom)”“赛博与物理”“捏造与现实”“数字样机与物理样机”“数字孪生体与物理孪生体”“数字端(C)与物理端(P)”“数字全国与物理全国”“数字空间与物理空间”等差此外真假对应辞汇,现实上都是在以差此外专业术语,或近似或正确地描摹两种“体”之间的真假映照关系。

  • 从映照关系上看,一虚、一实,两种“体”相互对应,数目不限。数字虚体是物理实体的“数字孪生体”,反之,物理实体也是数字虚体的“物理孪生体”,这是两者的底子关系和究竟。

  • 从诞生次第上看,先有物理实体,后稀有字虚体。以产业视角来看,实体是第一次产业反动和第二次产业反动的产物,虚体是第三次产业反动的产物。而虚体对实体的描摹、界说、放大与控制,以及两者的渐渐融合,正在促进新产业反动。

  • 从严重性上看,没有物理实体,就没法实行产业必须的物理进程,没法保障国计民生;没稀有字虚体,就没法实现对物理实体的赋值、赋能和赋智,就落空了产业转型升级的技术路子。真假必须融合,两者均不成缺。但是趾Λ表示的,是转型升级以后的“新产业实体”,是有了数字虚体作为大脑、神经出格是灵魂的全新呆板和装备。

  • 从创新性上看,真假融合,相互放大价格。而且,在产物研制上,先做物理实体照旧先做数字虚体,人们有了更多的挑选,不管是谁先谁后,或是同时天生,都可发生诸多创新,智能制造中的很多新技术、新形式、新业态也就此发生。

波音公司为F-15C型飞机建立了数字孪生体,不同工况条件、不同场景的模子都可以在数字孪生体上加载,每个阶段、每个环节都可以衍生出一个或多个差此外数字孪生体,从而对飞机举行全生命周期各项活动的仿真分析、评价和决议,让物理产物获得更好的可制造性、装配性、检测性和保障性。如图5-3所示。
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▲图5-3 波音F-15C飞机的多个数字孪生模子
据报道,美国陆军情况医学研讨所2010年起头启动一个项目,旨在建立完整的“阿凡达”单兵。该所研讨职员盼望给每名军人都建立出自己的数字捏造形象,不管高矮胖瘦和性情天性。现在已经乐成地开辟了250名“阿凡达”单兵。
在一个复杂的捏造练习系统中,研讨职员让这些捏造单兵穿上差此外作战服,变更差此外姿势和位置,不停加载疆场情况的数字孪生体来举行各类传神的高风险模拟,从而替换实战测试。经过各类数字化测试来找出他们的弱点,甚至模拟各类卑劣天气情况来测试这些单兵的心理情况顺应本事。全数测试进程无人身危险,可以随意频频实验。
上述技术途径可以用在新开辟或正在改良的呆板、装备或生产线上,即尽管在数字空间中,针对有待改良的呆板、装备或生产线,做好它们的数字孪生体,施加并测试各类数字化的工况条件,随意变更工作场景,以近乎零资本对这些数字孪生体举行捏造测试和频频迭代,待齐全测试成果都满足了筹划与改良方针以后,再在现实的呆板、装备或生产线上举行实测,如答应以大幅度淘汰对物理实体测试情况的依靠和消耗,淘汰或禁止大要出现的情况净化某人体危险。终极经过一两次迭代就能实现对实体呆板装备的改良。
作者:赵敏,走向智能研讨院实行院长,中国发现协会常务理事,发现方式研讨分会会长,正高工。工信部CPS成长论坛副秘书长,中国制造企业双创成长同盟专家委员会委员,中国产业技术软件化财富同盟(中国产业APP同盟)专家委员会委员,国产业业信息平安专家征询委员会委员,U-TRIZ初创人。
宁振波,教授,中国航空产业团体信息技术中心原首席顾问,中国船舶自力董事。加入多型飞机研制。国家科技进步二等奖获得者。参加编制数字化、智能化制造系列丛书。颁发关连制造业学术论文数百篇。也是多个行业、企奇迹单元的外聘专家。
【END】
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