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數字孿生:預演未來生活
  新華網 ( 2021-06-22 07:14:59 ) 來源: 《環球》雜志
 

 

5月26日,參會者在2021 中國國際大數據産業博覽會上了解智慧城市治理中心

    所謂“數字孿生”,就是由物理實體、虛擬實體、孿生數據、服務和交互連接五部分組成的一個係統或綜合體。

陶飛 張辰源

  提到“孿生”一詞,人們都會不約而同地想到一對外貌相像的雙胞胎。但面對“數字孿生”這個概念,大家可能會感覺很陌生。其實,如果看過《鋼鐵俠》這部電影,便能很好地理解數字孿生的概念。

《鋼鐵俠》裏的“數字孿生”功臣

  《鋼鐵俠》的主人公托尼·斯塔克利用先進技術為自己量身打造了一個鋼鐵戰甲,身穿戰甲的托尼懲姦除惡,戰無不勝。不過,除了搭載微型核電站和各種先進武器的酷炫戰甲,智能係統賈維斯同樣功不可沒。賈維斯內置了鋼鐵戰甲的數字化虛擬模型,能實時追蹤鋼鐵戰甲的狀態,並通過頭盔上的顯示屏將戰甲狀態進行可視化呈現,以便托尼能夠及時掌握鋼鐵戰甲的損壞情況,並進行相應的作戰決策。同時,賈維斯還能根據戰甲的狀態和戰局的情況提供目標瞄準、信息追蹤、能源預警等戰鬥輔助功能。可以説,托尼的每次勝利都離不開賈維斯的鼎力相助。

  在《鋼鐵俠》中,鋼鐵戰甲和賈維斯具備了一個數字孿生係統的五大核心要素。托尼的鋼鐵戰甲是客觀存在的一種物理實體,具備實際戰鬥執行功能。賈維斯內置的戰甲模型則是物理實體對應的虛擬實體,通常稱之為數字孿生模型或數字孿生體。鋼鐵戰甲的損壞程度、飛行速度、能源剩余量等數據,以及賈維斯對導彈的彈道預測、對機甲的性能評估、從托尼處接收到的指令等數據,統稱為孿生數據。賈維斯通過對孿生數據進行分析、處理和挖掘,提供戰鬥建議、飛行軌跡規劃、能源預警等戰鬥輔助服務,這些服務功能以決策數據、圖表、分析曲線等形式呈現,學術界稱之為服務或應用。賈維斯和鋼鐵戰甲之間的實時通信和雙向交互連接,使賈維斯能夠實時掌握戰甲的運行狀態,並能夠實時操控戰甲的飛行係統和武器係統。

  所謂“數字孿生”,就是由物理實體、虛擬實體、孿生數據、服務和交互連接五部分組成的一個係統或綜合體。數字孿生技術基于模型和數據雙驅動及虛實閉環交互,可在單元級、係統級和復雜係統級對象的多個層次開展應用,可用于監控物理實體的變化、模擬物理實體的行為、評估物理實體的狀態、預測物理實體的未來趨勢、提高物理實體的性能、優化物理實體的運行,並對物理實體進行同步控制。

數字經濟領域天地寬

  數字經濟作為一種以數據為核心要素的新型經濟形態,正成為推動經濟高質、高效、可持續發展的重要驅動力。在新冠肺炎疫情期間,數字經濟展現出強大的活力和發展韌性。

  在中國疫情最嚴重的時期,因疫情防控需要,人員流動受限,傳統零售業受到了明顯衝擊。根據國家統計局發布的數據,2020年1~2月份,社會消費品零售總額同比名義下降20.5%(扣除價格因素實際下降23.7%),其中,商品零售下降17.6%。商品零售的主要運營模式是線下交易,容易受到疫情、天氣等多方面不確定因素的影響。

  如果建立線下零售商品的數字孿生模型,放在網店中進行展示和銷售,顧客不僅可以通過商品的數字孿生模型直觀地了解商品的組成結構和核心參數,還能足不出戶在虛擬體驗平臺上試用商品,了解商品的使用和保養方法,最後利用線上支付完成交易,並收到快遞到家的商品。這種基于數字孿生的線上零售模式不僅方便了顧客,還有效結合了線下零售、物流快遞、線上支付等多種産業優勢,更有效避免了不確定因素的負面影響。與此同時,商家還能收集到大量顧客的偏好數據和商品的售後數據,進行統計和分析,為商品後續的改良升級提供參考。

  在零售業的例子中,數字孿生利用商品的數字孿生體將傳統的線下銷售轉移到線上,在獲取大量用戶數據和商品數據的基礎上,充分挖掘出數據潛在的價值,形成商品信息可視化、顧客需求分析、商品缺陷分析等一係列服務,最終反饋到商品的優化過程中,形成閉環迭代優化的運行模式,促進數字經濟與實體經濟的融合。

賦能行業數字化轉型

  隨著科技的快速發展,人民生活水平不斷提高,商業模式不斷變革,行業競爭不斷加劇,用戶需求越來越苛刻和個性化,傳統行業迫切需要借助數字化轉型來尋找新的增長機會與發展模式。

  如果建立一個數字孿生工廠,並利用工業數據總線將實際工廠與其數字孿生模型進行連接,工廠的管理者便可以在全世界任何一個地方,通過電腦裏的工廠數字孿生模型掌握實體工廠當前的加工任務、加工設備的運轉狀態、産品的合格率等信息,巡檢工人可以頭戴虛擬現實頭盔,在遠離危險的辦公室裏身臨其境地排查設備故障,甚至還能通過“透視”服務窺探上千攝氏度高溫的加熱爐內部是否存在結焦現象。

  此外,過去令人頭疼的排産任務現在也可以放心交給自動排産服務。自動排産服務可以基于制造大數據,生成最優的排産方案,並直接對實際設備進行調度和控制,這不僅能大幅減少人類的腦力和體力勞動強度,還能顯著提高生産安全性和效率。

  數字孿生不僅能在工廠中應用,還能在核電站中應用。為保障核電站的運行安全,相關設備設施需要定期進行人工檢修。一旦發生意外事故,泄漏的核輻射將嚴重危害檢修人員的生命安全。而數字孿生核電站能大大減少這種悲劇發生的可能性。

  首先,技術人員可以通過核電站中相關設備設施的數字孿生體,遠程了解其性能退化的具體情況,從而及時替換相關設備零部件;其次,考慮到肉眼無法識別一些異變的細節,故障預測服務還能基于設備運行數據進行故障預測,從而在故障發生之前及時對相關設備進行維護和保養;最後,在進行人工維修之前,技術人員可以在核電站的數字孿生模型上進行多次演練,做到心中有數,從而大幅降低人工誤操作的可能性。

  人造衛星是目前發射數量最多、用途最廣的航天器,人類的科學研究、天氣預測、資源勘探、導航通信等都離不開它。航天器功能多樣、結構復雜,且長時間運行在環境惡劣的太空中。及時預測衛星可能發生的故障,並在故障發生前消除它,對于保障衛星的運行安全具有重要意義。然而,地面的操作人員與在軌衛星相距甚遠,很難掌握在軌衛星的運行狀態。

  對此,科學家們提出,可以利用信息技術在虛擬世界中“克隆”一個與實際衛星外觀相同、功能相似、行為一致的數字化虛擬衛星,並利用傳感技術和通信技術在實際衛星與虛擬衛星之間直接建立一條能夠互相傳輸數據的通道。當實際的衛星升空入軌後,留在地面計算機中的虛擬衛星便能夠接收到在軌衛星感知到的環境數據和運行數據,進而在實時數據的驅動下呈現出與在軌衛星一致的運行狀態、運行過程和運行結果。操作人員僅需在電腦上監測虛擬衛星,便可以全面、直觀地掌握在軌衛星的狀態,並利用預測算法,實現對在軌衛星的故障預測,並在虛擬衛星上進行故障消除實驗,將成功的實驗方案通過數據交互通道發送給在軌衛星,最終實現在軌衛星的故障消除。

  此外,油氣、農業、建築建設等領域也都陸續開展了數字孿生的應用探索,以期借助數字孿生的力量實現自身的數字化轉型。

為日常生活插上科技翅膀

  人們常常幻想,我們生活的城市不再因突降暴雨而一片汪洋,交通不再擁堵,交通事故不再頻發,甚至能夠預知自己還沒有演化成疾病的健康問題……也許,這些並不是人類的妄想,曾經的不可能已漸漸變為現實。

  數字孿生城市排水管網能夠基于排水管網數字孿生模型和排水係統運行數據,提供排水係統運維管理、管網線路更新以及突發事件預案推演等服務。在暴雨來臨之前,相關人員可以基于排水管網的數字孿生模型進行緊急排水任務演練,為即將到來的暴雨做好充足的準備。在突降暴雨時,數字孿生城市排水管網能夠實時獲取各個排水管道中的水位線、水流量等數據,並以此為依據,對城市排水係統進行合理調度,盡量均衡全市各個區域的排水壓力。在暴雨過後,相關部門可根據排水係統歷史數據,回顧排水係統在暴雨期間的作業過程細節,進而針對其不足進行調整和完善。

  交通擁堵和交通事故都是人們在出行時不希望發生的事。如果為每輛汽車構建數字孿生模型,讓汽車掌握自身的狀態和位置信息,基于大量行駛數據和檢修數據,汽車可以預測自己在何時何處可能發生故障,並通過提前保養來避免半路拋錨等問題。此外,如果為汽車增加感知道路和行人的傳感器,並為每輛汽車安裝通信模塊從而實現車輛之間的信息互聯,數字孿生汽車甚至能提供自動駕駛服務,進而可以基于多車同步啟停服務避免擁堵,基于避讓行人和避讓車輛服務避免交通事故。

  生老病死是每個人都會有的經歷,但如果人們能預知疾病的發生,提前預防,這將大幅提高人類的生存質量。目前,科學家們已計劃開展構建人體數字孿生模型的研究,以期準確復現人體的一係列生理機能,為探索疾病演化規律和預測疾病提供基礎。

  同時,人體數字孿生模型還能支持藥物實驗和手術實驗,幫助醫學工作者更加高效地尋找解決各種疑難雜症的方法,進而提高臨床診斷和預後能力。也許在不遠的將來,人們還可以給所有的新生嬰兒建立獨一無二的數字孿生體。隨著嬰兒的成長,相應的數字孿生體也同步成長,並伴隨人們一生。這些數字孿生體,可以準確預測每個人可能發生的疾病,並提供量身定制的預防和治療方案,造福全人類。

  (陶飛係北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院教授、教育部長江學者特聘教授;張辰源係北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院博士生)

來源:2021年6月16日出版的《環球》雜志 第12期

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