2020-10-26 19:00:34聖天使

從實體數據到虛擬空間,數字孿生承載人類野心?



(文/陳根)

科技不僅是一個時代的標籤,它所引導的產業變革更是在雕刻這個時代。

數字時代下,數字孿生作為最重要的數字技術之一在人類社會數字化的進程中具有不可替代的重要意義,也因此頻繁出現在各大峰會論壇的演講主題之中,備受行業內外的關注。

此前在紐約,微軟首席執行官薩蒂亞•納德拉就將數字孿生稱為最大的科技趨勢之一。而全球著名IT研究機構Gartner更是在2017年至2019年連續三年將數字孿生列為十大新興技術之一。


隨着數字孿生概念的成熟和技術的發展,從部件到整機,從產品到產線,從生產到服務,從靜態到動態,一個數字孿生世界正在被不斷構築。當前,基於傳感器、智能裝備、工業軟件、工業互聯網、IoT、雲計算和邊緣計算的成熟和更廣泛的商業實踐積累,數字孿生也走到了一個新的時間節點。

數字孿生將實體的數據實時轉移到虛擬空間,為實現數字化、智能化、網絡化的產業模式提供了一個虛擬的底座,也承載着人類的野心,為人類的未來想象提供了一條愈發清晰的探索之路。


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數字孿生的概念演進

數字孿生這一概念誕生在美國,2002年,密歇根大學教授邁克爾·格里夫斯在產品全生命周期管理課程上提出了「與物理產品等價的虛擬數字化表達」的概念:一個或一組特定裝置的數字複製品,能夠抽象表達真實裝置並可以此為基礎進行真實條件或模擬條件下的測試。其概念源於對裝置的信息和數據進行更清晰地表達的期望,希望能夠將所有的信息放在一起進行更高層次的分析。


而將這種理念付諸實踐的則是早於理念提出的美國國家航天局(NASA)的阿波羅項目,在該項目中,NASA 需要製造兩個完全一樣的空間飛行器,留在地球上的飛行器被稱為「孿生體」, 用來反映(或做鏡像)正在執行任務的空間飛行器的狀態。

時下,許多業界主流公司都對數字孿生給出了自己的理解和定義,但實際上,人們對於數字孿生的認識依然是一個不斷演進的過程。


這從Gartner在過去三年對數字孿生的論述中,便可見一斑。2017年,Gartner對數字孿生的解釋是:實物或系統的動態軟件模型,在三到五年內,數十億計的實物將通過數字孿生來表達。在Gartner2017年發布的新興技術成熟度曲線中,數字孿生處於創新萌發期,距離成熟應用還有5-10年時間。

2018年,Gartner對數字孿生的解釋是:數字孿生是現實世界實物或系統的數字化表達。隨着物聯網的廣泛應用,數字孿生可以連接現實世界的對象,提供其狀態信息,響應變化,改善運營並增加價值。

2019年,Gartner對數字孿生的解釋變化為:數字孿生是現實生活中物體、流程或系統的數字鏡像。大型系統,例如發電廠或城市也可以創建其數字孿生模型。


在數字孿生概念的成熟和完善過程中,數字孿生的應用主體也再不局限於基於物聯網來洞察和提升產品的運行績效,而是延伸到更廣闊的領域,例如工廠的數字孿生、城市的數字孿生,甚至組織的數字孿生。

橫向來看,在模型維度上,從模型需求與功能的角度,一類觀點認為數字孿生是三維模型、是物理實體的複製,或是虛擬樣機。在數據維度上,一些認識認為數據是數字孿生的核心驅動力,側重了數字孿生在產品全生命周期數據管理、數據分析與挖掘、數據集成與融合等方面的價值。


在連接維度上,一類觀點認為數字孿生是物聯網平台或工業互聯網平台,這些觀點側重從物理世界到虛擬世界的感知接入、可靠傳輸、智能服務。而對於服務來說,一類觀點認為數字孿生是仿真,是虛擬驗證,或是可視化。

儘管當前對數字孿生存在多種不同認識和理解,目前尚未形成統一共識的定義,但可以確定的是,物理實體、虛擬模型、數據、連接和服務是數字孿生的核心要素。


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展開來說,數字孿生就是在一個設備或系統「物理實體」的基礎上,創造一個數字版的「虛擬模型」。這個「虛擬模型」被創建在信息化平台上提供服務。值得一提的是,與電腦的設計圖紙又不同,相比於設計圖紙,數字孿生體最大的特點在於,它是對實體對象的動態仿真。也就是說,數字孿生體是會「動」的。

同時,數字孿生體「動」的依據,來自實體對象的物理設計模型、傳感器反饋的「數據」,以及運行的歷史數據。實體對象的實時狀態,還有外界環境條件,都會「連接」到「孿生體」上。


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從虛實映射到全生命周期管理

正是基於數字孿生的核心要素,加之社會需求的同頻,使得數字孿生作為一種超越現實的概念,被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統的數字映射系統,在後疫情時代熱度不斷攀升。

其中,虛實映射是數字孿生的基本特徵,虛實映射通過對物理實體構建數字孿生模型,實現物理模型和數字孿生模型的雙向映射。這對於改善對應的物理實體的性能和運行績效無疑具有重要作用。

事實上,對於工業互聯網、智能製造、智慧城市、智慧醫療等未來的智能領域來說,虛擬仿真是其必要的環節。而數字孿生虛實映射的基本特徵,則為工業領製造、城市管理、醫療創新等領域由「重」轉「輕」提供了良好路徑。


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以工業互聯網為例,在現實世界,檢修一台大型設備,需要考慮停工的損益、設備的複雜構造等問題,並安排人員進行實地的排查檢測。顯然,這是一個「重工程」。而通過數字孿生技術,檢測人員只需對「數字孿生體」進行數據反饋,即可判斷現實實體設備的情況,完成排查檢修的目的。

其中,美國GE就藉助數字孿生這一概念,提出物理機械和分析技術融合的實現途徑,並將數字孿生應用到旗下航空發動機的引擎、渦輪,以及核磁共振設備的生產和製造過程中,讓每一台設備都擁有了一個數字化的「雙胞胎」,實現了運維過程的精準監測、故障診斷、性能預測和控制優化。


而在新冠肺炎疫情期間,聞名世界的雷神山醫院便是利用了數字孿生技術進行建造。中南建築設計院(CSADI)臨危受命,設計了武漢第二座「小湯山醫院」——雷神山醫院,中南建築設計院的建築信息建模(BIM)團隊為雷神山醫院創造了一個數字化的「孿生兄弟」。

採用BIM技術建立雷神山醫院的數字孿生模型,根據項目需求,利用BIM技術指導和驗證設計,為設計建造提供了強有力的支撐。


近年的數字孿生城市的構建,更是引發城市智能化管理和服務的顛覆性創新。比如,中國河北的雄安新區就融合地下給水管、再生水管、熱水管、電力通信纜線等12種市政管線的城市地下綜合管廊數字孿生體讓人驚艷;江西鷹潭「數字孿生城市」榮獲巴塞羅那全球智慧城市大會全球智慧城市數字化轉型獎。


此外,由於虛實映射是對實體對象的動態仿真,也就意味着數字孿生模型是一個「不斷生長、不斷豐富」的過程:在整個產品生命周期中,從產品的需求信息、功能信息、材料信息、使用環境信息、結構信息、裝配信息、工藝信息、測試信息到維護信息,不斷擴展,不斷豐富,不斷完善。


數字孿生模型越完整,就越能夠逼近其對應的實體對象,從而對實體對象進行可視化、分析、優化。如果把產品全生命周期各類數字孿生模型比喻為散亂的珍珠,那麼將這些珍珠串起來的鏈子,就是數字主線(Digital Thread)。數字主線不僅可以串起各個階段的數字孿生模型,也包括產品全生命周期的信息,確保在發生變更時,各類產品信息的一致性。


在全生命周期領域,西門子藉助數字孿生的管理工具——PLM(Product Lifecycle Management)產品生命周期管理軟件將數字孿生的價值推廣到多個行業,並在醫藥、汽車製造領域取得顯著的效果。

以葛蘭素史克疫苗研發及生產的實驗室為例,通過「數字化雙胞胎」的全面建設,使複雜的疫苗研發與生產過程,實現完全虛擬的全程「雙胞胎」監控,企業的質量控制開支減少13%,它的返工和報廢減少25%,合規監管費用也減少了70%。


從虛實映射到全生命周期管理,數字孿生展示了對於各個行業都的廣泛應用場景。在2018年《計算機集成製造系統》「數字孿生及其應用探索」一文中,就歸納了包括航空航天、電力、汽車、石油天然氣、健康醫療、船舶航運、城市管理、智慧農業、建築建設、安全急救、環境保護在內的11個領域,45個細分類的應用。


這也使數字孿生成為數字化轉型進程中炙手可熱的焦點。Gartner和樹根互聯共同出版的行業白皮書《如何利用數字孿生幫助企業創造價值》中預測,到2021年,半數的大型工業企業將使用數字孿生,從而使這些企業的效率提高10%;到2024年,將有超過25%的全新數字孿生將作為新loT原生業務應用的綁定功能被採用。


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數字孿生承載人類野心?

人類工業發展史就是實物製造的歷史。過去的愛迪生試錯法根據設計藍圖和生產工藝造出實物產品,反覆實驗、測試,來滿足產品的功能和性能的要求。然而,計算機和軟件的出現改變了這一切。

1980年,達索系統三維交互設計軟件CATIA之父弗朗西斯·伯納德(Francis Bernard)開創了曲面設計簡單實體設計,通過操作光筆在計算機屏幕上用三維曲面和簡單的實體表現形式,遠超過去的表達形式,奠定了世界工業設計從二維到三維建模的轉變。


隨後,達索飛機公司使用簡單的三維建模技術生產了飛機零件部件組件。1986-1990年間波音公司使用三維建模技術進行飛機裝配驗證,並形成大量初步規範來指導三維設計的使用。隨着計算機性能的提高、集成電路的小型化、計算速度的提高, UNIX工作站出現,三維設計成本大幅降低。

數字化設計技術從早期的二維設計發展到三維建模,從三維線框造型進化到三維實體造型、特徵造型,產生了諸如直接建模、同步建模、混合建模等技術,以及面向建築與施工行業的BIM技術(建築信息模型)。

而隨着數字化技術的發展應用,人們在用數字孿生技術重建一個物件、一個系統、一個城市,甚至一個世界的同時,數字孿生也「充分」地暴露着人類的野心。


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回顧過去20-30年製造業數字化的進程,數字孿生從過去飛機、汽車、船舶等高端複雜的製造業,製造這些產品的工業裝備行業,發展到高科技電子行業的電子產品,日常生活消費行業的時裝鞋帽、化妝品、家居家具、食品飲料消費產品。在基礎設施行業中,數字孿生的應用也日益增加,包括鐵路、公路、核電站、水電站、火電站、城市建築乃至整個城市,以及礦山開採。


而今年年初,達索系統更是提出了數字化革命從原來物質世界中沒有生命的「thing」擴展到有生命的「life」。從造物角度來講,人體比機械要複雜太多。人體有37萬億個細胞,每一個細胞生命周期里又有4200萬的蛋白質。人體數字化,即基於人體相關的多學科、多專業知識的系統化研究,並將這些知識全部注入人體的數字孿生體中。這有利於降低各種手術風險,提高成功率,改進藥物研發,提高藥物的效用。


數字孿生作為一種技術,終於從原子、器件應用擴展到細胞、心臟、人體,甚至於未來整個地球和宇宙都可以在虛擬賽博空間重建數字孿生世界。

當然,在數字孿生世界全面到來以前,人類首先要正確理解、正確應用數字孿生。數字孿生帶來了工具革命、決策革命、組織革命,給人類社會改造自然創造了新的方法論,從一百多年前愛迪生的實驗驗證,演進到今天的模擬擇優,這僅僅是一個開始,而任何方法論的實現,都離不開與之相適配的世界觀。---(鈦媒體)