近年来,数字孪生这个词不断地出现在公众视野,尤其是随着物联网技术的发展,数字孪生不断现身于各行各业,乍一看,这个概念还是比较生僻,那数字孪生到底是什么呢?
先来看看数字孪生的定义,《数字孪生应用白皮书》是这样说的:
“数字孪生是具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达,该数据连接可以保证物理状态和虚拟状态之间的同速率收敛,并提供物理实体或流程过程的整个生命周期的集成视图,有助于优化整体性能。”
简单翻译一下,数字孪生就是将现实世界中的事物在虚拟数字空间映射,构建物理实体的“数字化克隆体”,以历史数据、实时数据为基础,借助数据模型,实现对现实场景或对象的映射呈现、分析优化、诊断预测等。
翻阅了很多资料和信息之后,粗略总结了数字孪生的构建及应用过程,可以分为三步:复刻、构建、应用。
复刻:现实空间的数字化重建
首先就是运用空间采集设备对现实空间进行精准复刻,并通过物联网实现物理空间与数字空间之间的虚实互动,在这个过程中会采集并传输现实空间的相关数据,包括结构数据、传感器数据、运营数据等,为后面模型构建及优化做准备。
构建:数据驱动模型学习优化
当把真实空间及物理实体数字化复刻以后,相关数据也已经上传到云端,在对数据清洗处理以后,就可以结合处理后的数据,运用相关技术能力构建数字孪生模型,并持续验证优化。
应用:功能开发及实际应用
模型构建以后就是具体的应用里,在这个阶段,会结合具体的应用场景以及行业特性,做具体的功能开发和应用,比如工厂车间的预测性维护、道路交通的模拟规划等。
说了这么多,那数字孪生到底有什么用呢?具体可以应用在哪些场景或者哪些行业呢?接下来就一一解答。
航天预测模拟:作为科技最前沿的应用领域,航空航天针对数字孪生技术的应用可以说起源最早。1969年美国的阿波罗项目中,美国国家航空航天局(NASA)通过制造两个完全相同的航天器,形成“物理孪生”,这是最早期数字孪生技术的雏形。随着技术的迭代发展,数字孪生技术在航空航天产品研发、故障检测、系统管控等方面都有着广泛的应用。
数字孪生工厂:数字孪生技术可以说是工业生产的宠儿,能够实现资源调配、智能化生产,显著提高生产效率。数字孪生工厂,意味着把实体的工厂搬到虚拟空间,可以实时获取工厂中的数据,实现对工厂的实时监控;同时也可以模拟生产过程,优化生产流程;还可以通过数据分析支持只能决策和预测分析……可以说,数字孪生技术在工业生产领域效果十分显著。
智慧交通模拟:数字孪生在智慧交通行业的应用,主要是将实时采集的交通数据纳入到建立的交通模型体系中,通过大数据分析、人工智能AI和交通仿真技术,实现真实路面交通和虚拟环境的深度融合,比如可以进行车流变化模拟推演,也可以模拟交通信号灯变化,从而有助于更好地规划交通路线,为管理部门优化交通管理调度提供技术支持。
打造智慧城市:利用数字孪生技术,可以在虚拟网络空间构建一个与物理世界相对应的孪生城市,通过数据全域标识、状态精准感知、数据实时分析等,来实现城市的模拟、监控以及控制,解决城市规划、设计、建设、管理、服务过程中的诸多问题。
目前,数字孪生被广泛应用于工业制造、智慧城市、智能交通、能源等各大行业领域,作为虚拟仿真的重要领域,数字孪生正以其强大的能力在各个行业中创造前所未有的创新。
数字孪生是充分利用物理模型、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。
数字孪生是一种超越现实的概念,可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。数字孪生标准体系包含基础共性标准:包括术语标准、参考架构标准、适用准则三部分,关注数字孪生的概念定义、参考框架、适用条件与要求,为整个标准体系提供支撑作用。
数字李生关键技术标准:包括物理实体标准、虚拟实体标准、生数据标准、连接与集成标准、服务标准五部分,于规范数字李生关键技术的研究与实施,保证数字生实施中的关键技术的有效性,破除协作开发和模块互换性的技术壁垒。
含义:
美国国防部最早提出利用Digital Twin技术,用于航空航天飞行器的健康维护与保障。首先在数字空间建立真实飞机的模型,并通过传感器实现与飞机真实状态完全同步,这样每次飞行后,根据结构现有情况和过往载荷,及时分析评估是否需要维修,能否承受下次的任务载荷等。
数字孪生,有时候也用来指代将一个工厂的厂房及产线,在没有建造之前,就完成数字化模型。从而在虚拟的赛博空间中对工厂进行仿真和模拟,并将真实参数传给实际的工厂建设。而工房和产线建成之后,在日常的运维中二者继续进行信息交互。值得注意的是:Digital Twin不是构型管理的工具,不是制成品的3D尺寸模型,不是制成品的MBD定义。