什么是数字孪生?终于有人讲明白了

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[原文来自:www.tt44.com]


作者 | 赵敏 宁振波
题图 | 视觉中国
起原 | 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,只不外以前没有如许定名,而是成长到了必然阶段,人们意识到应该给这种综合化的手艺起一个更切实的名字。

[原创文章:www.tt44.com]


本文论说的数字孪生有两层意思,一是指物理实体与其数字虚体之间的正确映射的孪生关系;二是将具有孪生关系的物理实体、数字虚体离别称作物理孪生体、数字孪生体。默认情形下,数字孪生亦指数字孪生体。

实践先行,概念后成

数字孪生是客观世界中的物化事物及其成长纪律被软件界说后的一种究竟。雄厚的工业软件内涵以及壮大的软件界说结果,让数字孪生的研究在国表里呈现出百花齐放的态势。作者认为数字孪生与较量机辅助(CAX)软件(尤其是广义仿真软件)以及数据采集/剖析的成长关系十分亲切。

在工业界,人们用软件来模拟和增加人的行为体式,例如,较量机画图软件最早模拟的是人在纸面上作画的行为。人机交互手艺成长成熟后,以下模拟行为起头显现:

  • 用CAD软件模拟产物的构造与外观

  • CAE软件模拟产物在各类物理场情形下的力学机能

  • CAM软件模拟零部件和夹具在加工过程中的刀轨情形

  • CAPP软件模拟工艺过程

  • CAT软件模拟产物的测量/测试过程

  • OA软件模拟行政事务的治理过程

  • MES软件模拟车间生产的治理过程

  • SCM软件模拟企业的供给链治理

  • CRM软件模拟企业的发卖治理过程

  • MRO软件模拟产物的修理过程治理,等等


依靠软件中的某些特定算法,人们已经斥地出了某些具有必然智能水平的工业软件,如具有关系设计结果的产物设计系统。

在文学与娱乐界,人们用软件来模拟和增加人的体验体式,例如:

  • 用电子书来模拟纸质书

  • 用电辅音乐来模拟现场音乐

  • 用电子琴软件来抚琴

  • 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真实游戏

  • 用百年历软件来快速查找某个特别日期或“吉时”等


人们不光能够模拟已知的、有经验的各类事物,还能够缔造性地模拟各类未知的、从未体验过的事物,例如影视界能够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,当然也能够缔造出更多的闻所未闻、见所未见的各类形象。

稀奇是当这种模拟与VR/AR手艺连系在一路的时候,所有的场景都维妙维肖,直入心境。于是,在由数字虚体组成的虚拟世界中,所有的弗成能都酿成有或者,所有的在物理世界无法体验和反复的巧妙、惊险和刺激场景,都能够在数字空间得以实现,最大限度地知足了人的感官体验和精神需求。

事实上,十几年前在汽车、飞机等复杂产物工程范畴显现的“数字样机”的概念,就是对数字孪生的一种先行实践运动,一种手艺上的产生和前奏。

数字样机最初是指在CAD系统中经由三维实体造型和数字化预装配后,获得一个可视化的产物数字模型(几许样机),能够用于协调零件之间的关系,进行可制造性搜检,是以能够根基上取代物理样机的协调功能。

但跟着数字化手艺的成长,数字样机的感化也在络续增加,人们在预装配模型长进交运动、人机交互、空间漫游、机械操作等飞机功能的模拟仿真。之后又进一步与机械的各类机能剖析较量手艺连系起来,使之可以模拟仿真出机械的各类机能。是以将数字样机按其感化从几许样机,扩展到功能样机和机能样机。

以复杂产物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世纪末就已经环绕着数字样机睁开。数字样机将承载几乎完整的产物信息。

是以,人们能够经由数字样机进行飞机方案的选择,行使数字样机进行可制造的各类仿真,在数字样机上搜检将来飞机的各类功能和机能,发现需要改善的处所,最终建立出相符要求的“数字飞机”,并将其交给工场进行生产,制造成真正的物理飞机,完成整个研制过程。

无论是几许样机、功能样机和机能样机,都属于数字孪生的领域。数字孪生的术语固然是比来几年才显现的,然则数字孪生手艺内涵的索求与实践,早已经在十多年前就起头而且取得了相当多的功效。

例如中国航空工业集体第一飞机研究院(简称“一飞院”)在21世纪初斥地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”(尽管其时没有这个术语)关系,如图5-1所示。

▲图5-1 飞豹全数字样机与服役飞机

成长到如今,人们发如今数字世界里做了这么多年的数字设计、仿真、工艺、生产等究竟,越来越虚实对应,越来越虚实融合,越来越普遍应用,数字虚体越来越赋能于物理实系统统。

近些年,当人们提出了进展物理空间中的实体事物与数字空间中的虚拟事物之间具有能够联接数据通道、互相传输数据和指令的交互关系之后,数字孪生概念根基成形,而且作为智能制造中一种基于IT视角的新型应用手艺,逐渐走进人们的视野。

事实上,现有的工业软件研发与生产数据以及沉积在工业范畴内的大量的工业手艺和常识,都是实现数字孪生的上好“原料”和根蒂构件,数字孪生在工业实际场景中已经具有了实现和推广应用的伟大潜力。

内涵解读,见仁见智

凭据今朝看到的资料,数字孪生术语由迈克尔·格里夫(Michael Grieves)传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斥地联盟”成立时的讲稿中首次图示了数字孪生的概念内涵,2003年他在解说PLM课程时使用了“Digital Twin(数字孪生)”,在2014年他撰写的“数字孪生:经由虚拟工场复制实现卓越制造(Digital Twin:Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication)”文章中进行了较为具体的阐述,奠基了数字孪生的根基内涵。

在航太范畴和工业界,较早起头使用数字孪生术语。2009年美国空军实验室提出了“机身数字孪生(Airframe Digital Twin)”的概念。2010年NASA也起头在手艺路线图中使用“数字孪生(Digital Twin)”术语。

大约从2014年起头,西门子、达索、PTC、ESI、ANSYS等知名工业软件公司,都在市场宣传中使用“Digital Twin”术语,并陆续在手艺构建、概念内涵上做了好多深入研究和拓展。

数字孪生尚无业界公认的尺度界说,概念还在成长与演变中。下面举例几个国表里企业或组织做的数字孪生界说,供读者参考。

  • 美国国防采办大学认为:数字孪生是充裕行使物理模型、传感器更新、运行汗青等数据,集成多学科、多物理量、多标准的仿真过程,在虚拟空间中完成对物理实体的映射,从而反映物理实体的全生命周期过程。


  • ANSYS公司认为:数字孪生是在数字世界竖立一个与真实世界系统的运行机能完全一致,且可实实际时仿真的仿真模型。行使安装在真实系统上的传感器数据作为该仿真模型的界限前提,实现真实世界的系统与数字世界的系统同步运行。


  • 中国航空工业成长研究中心刘亚威认为:从素质上来看,数字孪生是一个对物理实体或流程的数字化镜像。建立数字孪生的过程,集成了人工智能、机械进修和传感器数据,以竖立一个能够实时更新的、现场感极强的“真实”模型,用来撑持物理产物生命周期各项运动的决议。


  • 上海优也信息科技有限公司首席手艺官林诗万博士对数字孪生的懂得是,数字孪生体可有多种基于数字模型的示意形式,在图形上,有几许、高保真、高差别率衬着、抽象简图等;在状况和行为上,有设备运行、受力、磨损、报警、宕机、事变等;在质地上,有材质、外观特征、微观材料构造等。如图5-2所示。


▲图5-2 数字孪生示意图(来自优也公司)

  • 北京航空航天大学张霖传授认为,“数字孪生是物理对象的数字模型,该模型能够经由领受来自物理对象的数据而实时演化,从而与物理对象在全生命周期连结一致。”


  • 作者经由多年研究,也给出了本身的懂得和界说:数字孪生是在“数字化一切能够数字化的事物”大配景下,经由软件界说和数据驱动,在数字虚体空间中建立的虚拟事物,与物理实体空间中的实际事物形成了在形、态、质地、行为和成长纪律上都极为相似的虚实正确映射关系,让物理孪生体与数字孪生体具有了多元化映射关系,具备了分歧的保真度(真切、抽象等)。


数字孪生不只持续发生在物理孪生体全生命周期中,并且数字孪生体味超越物理孪生体生命周期,在数字空间持久存续。充裕行使数字孪生可在智能制造中产生出大量新手艺和新模式。

数字孪生,非双非胎

“Digital Twin”在翻译和懂得上颇有分歧,歧义性发生在数字孪生应用场景中人们对“Twin”的懂得上。“Twin”作为名称在英汉辞书中有几种翻译究竟:“孪生子之一,双胞胎之一;两个相像的人或物之一;成对、成双的器材;孪晶;双人床”。

若是仅看直译究竟,双胞胎是正确翻译,然则若是细心剖析该术语的应用场景,上述翻译究竟都不贴切,只有“孪生子之一”还算接近“Digital Twin”所描述的应用场景中的概念。而作者恰恰要强调的是“Digital Twin”术语的应用场景。

1. 只有“相像”而无“相等”

在相像水平上,从“生物场景/物理场景”的“Twin”,引申到“数字化场景”的“Digital Twin”,其本意是强调在数字空间构建的数字虚体与物理空间的物理实体非常相像。

然则,相像归相像,无论彼此何等像,二者也不是“是”“等于”或“相等”的关系,因为本非同源或同生,一个数字虚体无论何等像一个物理实体,它也不是物理实体——这个客观事实必需界定清楚。

“Digital Twin”描述的“相像”,平日都仅仅是指数字虚体和物理实体在外观和宏观构造上的“相像”,而从形、态、质地、行为和成长纪律等多方面的评价指标来看,其实差别极大,素质本源分歧。

“数字双胞胎”一词,较轻易指导人们把二者完全等同起来,把“貌似一模一般”误认为“就是一模一般”甚至“相等”,从而形成认知错觉。

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”,因为“双”字会把更多的潜在应用场景限制住——彼此相像的虚实映射事物未必只有貌似常见的“一对一”关系,其实还有以下虚实映射对应关系:

  • “一对多”——一个物理实体对应多个数字虚体(一台汽车动员机可有D /N/S等分歧的驾驶挡位,启动/高速/低速/磨合/磨损等分歧的工作状况,对此,在车载软件顶用分歧的参数和软件模型来描述和调控);

  • “多对一”——多个物理实体对应一个数字虚体(例如同型号分歧尺寸的螺栓或铆钉对应统一个三维CAD模型);

  • “多对多”——更为一样化的设备工作场景(例如设计阶段因数字化“构型/设置”分歧而发生了系列化物理设备及其数字孪生体,这些设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. 需要考虑的特别对应模式

在一些特别场景中,数字孪生还存在“一对少”“少对一”“一对零”“零对一”的特别对应模式:

  • “一对少”——一个物理实体对应一个高度抽象的数字虚体(例如一辆高铁在调剂上对应一个高度简化的数字化线框模型);

  • “少对一”——以一部门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模型+力学载荷模型”);

  • “一对零”——因为不知其纪律、缺乏机理模型导致某些已知物理实体没有对应的数字虚体(例如暗物质、天气转变纪律等);

  • “零对一”——人类凭想象和创意在数字空间缔造的“数字虚体”,实际中没有与其对应的“物理实体”(例如数字创意中的各类形象)。


一架斗争机由数万个构造件、几十万个尺度件、大量的电子元器件和机载设备组成。

在从飞机的方案设计,到初步设计、具体设计、试制、试验,再到批生产、交付、运行、维护、修理,最后再到报废的全生命周期中,一个尺度件数字模型会对应成千上万个实物零件,一个实物零件也会对应产物设计模型、多个仿真模型、工艺模型、工艺仿真模型、生产模型、装配模型、维护修理模型等,由此形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”就显得在懂得上过于简洁了。

综上所述,“Digital Twin”一词在翻译和懂得时,既不该限制在“双”,也不宜懂得为“胎”。该词借用“Twin”之意,所表达的是一种数字虚体与物理实体非常相像的多元化虚实映射关系。

应用场景和对应模式是多种多样的。

虚体测试,实体立异

数字虚体与物理实体之间的孪生关系,其实早就有之,只不外此前没有使用严厉界说的术语来表达。

平时人人所说的“比特(bit)与原子(atom)”“赛博与物理”“虚拟与实际”“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)”“数字世界与物理世界”“数字空间与物理空间”等分歧的虚实对应词汇,实际上都是在以分歧的专业术语,或近似或正确地描述两种“体”之间的虚实映射关系。

  • 从映射关系上看,一虚、一实,两种“体”互相对应,数量不限。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”,这是二者的根基关系和事实。

  • 从降生顺序上看,先有物理实体,后稀有字虚体。以工业视角来看,实体是第一次工业革命和第二次工业革命的产品,虚体是第三次工业革命的产品。而虚体对实体的描述、界说、放大与掌握,以及二者的逐渐融合,正在促成新工业革命。

  • 从主要性上看,没有物理实体,就无法执行工业必需的物理过程,无法保障国计民生;没稀有字虚体,就无法实现对物理实体的赋值、赋能和赋智,就失去了工业转型升级的手艺途径。虚实必需融合,二者均弗成缺。然则最终施展的,是转型升级之后的“新工业实体”,是有了数字虚体作为大脑、神经稀奇是魂魄的全新机械和设备。

  • 从立异性上看,虚实融合,互相放大价格。并且,在产物研制上,先做物理实体照样先做数字虚体,人们有了更多的选择,无论是谁先谁后,或是同时生成,都可发生诸多立异,智能制造中的好多新手艺、新模式、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,分歧工况前提、分歧场景的模型都能够在数字孪生体上加载,每个阶段、每个环节都能够衍生出一个或多个分歧的数字孪生体,从而对飞机进行全生命周期各项运动的仿真剖析、评估和决议,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。

▲图5-3 波音F-15C飞机的多个数字孪生模型

据报道,美国陆军情况医学研究所2010年起头启动一个项目,旨在建立完整的“阿凡达”单兵。该所研究人员进展给每名武士都建立出本身的数字虚拟形象,无论高矮胖瘦和脾性秉性。今朝已经成功地斥地了250名“阿凡达”单兵。

在一个复杂的虚拟练习系统中,研究人员让这些虚拟单兵穿上分歧的作战服,变换分歧的姿势和位置,络续加载疆场情况的数字孪生体来进行各类真切的高风险模拟,从而替代实战测试。经由各类数字化测试来找出他们的弱点,甚至模拟各类恶劣天气情况来测试这些单兵的生理情况适应能力。所有测试过程无人身危险,能够随意频频试验。

上述手艺路径能够用在新斥地或正在改善的机械、设备或生产线上,即尽量在数字空间中,针对有待改善的机械、设备或生产线,做好它们的数字孪生体,施加并测试各类数字化的工况前提,随意变换工作场景,以近乎零成本对这些数字孪生体进行虚拟测试和频频迭代,待一切测试究竟都知足了设计与改善目的之后,再在实际的机械、设备或生产线长进行实测,如许能够大幅度削减对物理实体测试情况的依靠和损耗,削减或避免或者显现的情况污染某人体危险。最终经由一两次迭代就能实现对实体机械设备的改善。

作者:赵敏,走向智能研究院执行院长,中国发现协会常务理事,发现方式研究分会会长,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联盟专家委员会委员,中国工业手艺软件化财富联盟(中国工业APP联盟)专家委员会委员,国度工业信息平安专家咨询委员会委员,U-TRIZ创始人。

宁振波,传授,中国航空工业集体信息手艺中心原首席垂问,中国船舶自力董事。列入多型飞机研制。国度科技提高二等奖获得者。介入编制数字化、智能化制造系列丛书。揭橥相关制造业学术论文数百篇。也是多个行业、企事业单元单子的外聘专家。

【END】

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