数字孪生的奇妙赋能场景
全国信标委智慧城市标准工作组组织日前正式推出的《城市数字孪生标准化白皮书(2022版)》不仅较全面地介绍了城市数字孪生内涵与典型特征,而且构建了城市数字孪生技术参考架构,同时梳理了城市数字孪生的关键技术,尤其是透过《白皮书》所展示的典型应用场景,公众不难从中感受到数字孪生的巨大经济价值与社会价值。
“数字孪生”(Digital Twin)一词虽听上去有点玄,但其实却很接地气。比如,当我们听到“双胞胎”、“孪生兄弟”抑或“孪生姐妹”的词语时,眼前马上会浮现两个或三个以上长得完全或基本一样的人物,“数字孪生”也是这个理,只不过这里的“双胞胎”是数字双胞胎,同时不同于物理世界中的“双胞胎”存在于同一时空维度,数字孪生中的双胞胎分列于两个平行世界:一个存在于现实的物理世界,另一个存在于虚拟的计算机世界,前者是真实的物理体或者系统以及流程,后者则是一个“克隆体”。
数字孪生的最直观案例就是电影《钢铁侠》中的一个经典画面:托尼·史塔克在设计、改进和修理钢铁侠战衣的时候,并不是在图纸或实物上进行操作,而是通过一个虚拟的影像映射场景来辅助实现,而这个可视化、智能化、数字化的映射场景其实就是数字孪生。另外,61年前美国国家航空航天局(NASA)启动的阿波罗项目最先在实体产业领域使用了数字孪生。当时NASA首先在数字空间建立真实飞行器模型,并通过传感器实现与飞行器真实状态完全同步,通过监测和预测空间飞行器的飞行状态进行仿真分析,辅助地面控制人员作出正确决策。坐地日行八万里。以阿波罗项目为契机,在多种技术的加装与拥戴之下,数字孪生如今进入了色彩缤纷的场景之中。
工业制造应当是数字孪生最为活跃的战场。无论是传统的标准化批量制造,还是新型的个性化定制,从产品的设计,到产品的加工成形,再到产品的仓储与运输,均可以通过数据建模实现全流程的监控分析,从中既可以及时调整与完善产品的形状、结构以及工艺,又可以发现产品的质量瑕疵,并进行同步性修补与改善。同样的道理,企业的整条产品生产线也可以数字孪生,借助赛博空间(计算机以及计算机网络里的虚拟现实)生产线的等价映射镜像,提前优化生产流程中的资源与要素配置,同时捕捉与清除相关的线上堵点,达到对整个产品生产活动的风险隔离与健康管理。
数字孪生当然可以延伸到同业制造的后续服务层面,如通过对产品的几何形状、性能、历史销售、用户反馈等进行建模,就可以改变传统的产品运行“黑箱”状态,实时监测产品的使用与运转状况,发现产品具体功能偏差的同时,更能提前预判产品零部件的损坏时间界面,以便主动、及时和提前提供维护服务。根据知名咨询公司Gartner發布的分析报告,基于数字孪生的产品智能服务,维修人员的响应时间从原来的300分钟缩短到了15分钟,同时一次性修复率从75%提升到92%。
现在,制造业都在全力朝着智能化、数字化的方向转型,而数字孪生恰恰可以在工业制造智能化过程中扮演基础与底座的角色,因为所有的智能制造系统首先要能感知,然后才是分析推理,但如果没有数字孪生对现实物理设施与生产制造体系的准确建模,智能制造系统将是无源之水。纵向上看,从产品设计、到生产制造,再到仓储运输以及后续服务,数字孪生协助企业对全产业链与全生命周期进行动态预测与管理;横向上看,从智能生产线、到智能车间,再到智能工厂,数字孪生支持对企业所有资产设备与基础设施降低试错成本并实现优化与升级,因此,数字孪生可以说是工业制造企业实现数字化、智能化的强大驱动。
除了在工业制造舞台上尽展风姿外,数字孪生还可在工程建筑、医学分析等行业长袖善舞,更能在城市基础设施建设、居民出行服务等领域大显身手。拿眼下的疫情防控来说,我们出入公共场所必亮的“健康码”其实就是跟随每个人的数字孪生体,而从“行程码”的身上,人们就更能清晰地感受到数字孪生“动”的特征。再拿城市修建地铁来说,设计人员不仅可以首先完成对工程的数字化建模,然后在赛博空间对工程进行仿真和模拟,评估工程的结构和承受能力,还可以导入流量数据,评估工程是否可以满足投入使用后的需求;工程交付后,还可以在维护阶段评估工程是否可以承担特殊情况的压力,以及监测可能出现的事故隐患。一言以蔽之,如果能够积极拥抱数字孪生,就不会发生去年郑州市暴雨倒灌地铁以及今年西安市健康码系统宕机瘫痪那样的悲剧和遗憾。
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