左圖為天問一號(hào)探測(cè)火星示意圖。

圖片來源：國(guó)家航天局

右圖為海爾集團(tuán)利用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)工廠的三維可視化。

2021年5月15日，歷經(jīng)9個(gè)多月的長(zhǎng)途跋涉，中國(guó)火星探測(cè)器天問一號(hào)成功著陸火星表面，邁出了我國(guó)星際探測(cè)征程的重要一步。這背后離不開中國(guó)航天人的攻堅(jiān)克難、卓越創(chuàng)新，也離不開數(shù)字孿生等一系列先進(jìn)技術(shù)的支撐。

隨著三維建模、工程仿真、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算、邊緣計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人類社會(huì)進(jìn)入三維體驗(yàn)時(shí)代。對(duì)于產(chǎn)品、裝備、產(chǎn)線、工廠、建筑、道路、橋梁，乃至整個(gè)城市，都可以建立三維數(shù)字化模型。數(shù)字模型不僅可以與物理對(duì)象形態(tài)高度相似，還可以實(shí)現(xiàn)性能仿真，幾乎做到全要素映射。在物理對(duì)象從研發(fā)設(shè)計(jì)、制造建造、服役到報(bào)廢回收再利用的全生命周期中，可以通過虛實(shí)映射來優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提升運(yùn)行效率，監(jiān)測(cè)運(yùn)行情況，預(yù)測(cè)潛在故障和事故風(fēng)險(xiǎn)。這種打通物理世界和數(shù)字世界，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合的復(fù)合技術(shù)，被稱為數(shù)字孿生（Digital Twin）。

從天問一號(hào)的星際之旅談起

我國(guó)自主研制的天問一號(hào)火星探測(cè)器于2020年7月23日發(fā)射升空；經(jīng)過1次深空機(jī)動(dòng)和4次中途修正，于2021年2月10日成功進(jìn)入火星軌道；5月15日，天問一號(hào)成功穿越火星大氣層，著陸于火星烏托邦平原南部預(yù)選著陸區(qū)；5月22日，“祝融號(hào)”火星車駛離著陸平臺(tái)，到達(dá)火星表面，開始了對(duì)火星的探測(cè)之旅。

實(shí)現(xiàn)這個(gè)極其復(fù)雜的科學(xué)任務(wù)，就應(yīng)用到數(shù)字孿生技術(shù)。我們知道，開發(fā)普通產(chǎn)品時(shí)，工程師可以通過實(shí)物試驗(yàn)來測(cè)試產(chǎn)品性能，修改設(shè)計(jì)方案，不斷迭代優(yōu)化。而天問一號(hào)無法在真實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)，因此科學(xué)家除了在地面對(duì)實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試之外，還需要對(duì)天問一號(hào)的各個(gè)子系統(tǒng)、從地球飛向火星的軌跡以及火星大氣和著陸區(qū)環(huán)境等建立數(shù)字孿生模型。在產(chǎn)品研發(fā)過程中進(jìn)行全數(shù)字化仿真，在原型樣機(jī)制造出來之后進(jìn)行半實(shí)物仿真。所謂半實(shí)物仿真，指的是仿真對(duì)象是物理實(shí)體，而運(yùn)行環(huán)境用軟件來模擬。在天問一號(hào)飛向太空和著陸火星的過程中，則通過衛(wèi)星通信傳回的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)其數(shù)字孿生模型進(jìn)行仿真分析，從而判斷飛行軌跡和運(yùn)行狀態(tài)是否正常，以便及時(shí)調(diào)控。為了幫助觀眾更好地理解，電視直播往往也會(huì)使用對(duì)航天器數(shù)字化模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的視頻動(dòng)畫。

“數(shù)字孿生”這一術(shù)語最初就應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，為的是解決航空航天飛行器的健康維護(hù)與保障問題。從誕生之初就可以看到，數(shù)字孿生是融合了三維建模、仿真與優(yōu)化、物聯(lián)網(wǎng)與傳感器、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)等多種新興技術(shù)在內(nèi)的復(fù)合技術(shù)。數(shù)字孿生技術(shù)能迅速成為熱潮，也源于數(shù)字化設(shè)計(jì)、虛擬仿真和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)的蓬勃發(fā)展與交叉融合。

以智能為目標(biāo)的廣泛應(yīng)用場(chǎng)景

近年來，數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用日漸廣泛，在智能制造、智能建造、智慧家居、智慧醫(yī)療、智慧城市和智慧交通等領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景。

數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用中關(guān)注度最高的是智能制造領(lǐng)域。在制造企業(yè)研發(fā)新產(chǎn)品時(shí)，可以借助產(chǎn)品數(shù)字孿生模型來優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；在工藝規(guī)劃階段，可以通過對(duì)其數(shù)字孿生模型進(jìn)行檢查，確定每個(gè)零件是否能夠制造出來，零部件在裝配時(shí)是否相互協(xié)調(diào)；在制造過程中，可以建立生產(chǎn)設(shè)備、產(chǎn)線、車間，乃至整個(gè)工廠的數(shù)字孿生模型，通過采集和分析制造數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)高效排產(chǎn)，提高設(shè)備利用率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)量問題；在產(chǎn)品服役階段，可以通過安裝視覺、溫濕度、壓力、振動(dòng)、位移、速度等各類傳感器來監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀況，提升產(chǎn)品運(yùn)行績(jī)效，進(jìn)行故障預(yù)測(cè)和預(yù)測(cè)性維修維護(hù)。

數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品的運(yùn)行監(jiān)控和智能運(yùn)維，工廠運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)模擬和遠(yuǎn)程監(jiān)控，以及生產(chǎn)線虛擬調(diào)試、機(jī)電軟一體化復(fù)雜產(chǎn)品研發(fā)等方面，正在給制造業(yè)創(chuàng)造巨大價(jià)值。三一重工利用數(shù)字孿生技術(shù)結(jié)合售后服務(wù)系統(tǒng)，使得工程師平均響應(yīng)時(shí)間從300分鐘縮短到15分鐘，一次性修復(fù)率從75%提升到92%。海爾集團(tuán)利用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工廠的三維可視化，可以方便查看設(shè)備的產(chǎn)量、質(zhì)量和設(shè)備維護(hù)情況，及時(shí)排查故障。

很多制造企業(yè)都在建設(shè)能夠生產(chǎn)和裝配多種變型產(chǎn)品的柔性自動(dòng)化產(chǎn)線，涉及各種智能裝備如工業(yè)機(jī)器人、無人引導(dǎo)小車的集成應(yīng)用。應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)可以在設(shè)備尚未安裝之前就完成虛擬調(diào)試，并對(duì)客戶進(jìn)行遠(yuǎn)程培訓(xùn)。虛擬調(diào)試通過后，再在實(shí)際產(chǎn)線進(jìn)行聯(lián)調(diào)，這樣就大大縮短產(chǎn)線交付使用的時(shí)間。廣汽集團(tuán)乘用車項(xiàng)目應(yīng)用虛擬調(diào)試技術(shù)，就將現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)間由15天減至5天。

在進(jìn)行復(fù)雜的醫(yī)學(xué)手術(shù)時(shí)，可以對(duì)病灶建立數(shù)字孿生模型，通過仿真確定合理的手術(shù)方案，醫(yī)學(xué)專家還可以遠(yuǎn)程對(duì)數(shù)字孿生模型進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)醫(yī)生完成手術(shù)。2019年7月17日，位于湖北武漢的華中科技大學(xué)協(xié)和醫(yī)院葉哲偉教授團(tuán)隊(duì)，通過采集患者相關(guān)部位軟硬組織的數(shù)字化信息構(gòu)建數(shù)字孿生模型，指導(dǎo)600公里外的恩施咸豐縣人民醫(yī)院的醫(yī)生成功完成骨科手術(shù)。

在智慧城市建設(shè)過程中，通過數(shù)字孿生技術(shù)建立整個(gè)城市建筑和各種地下管網(wǎng)的數(shù)字孿生模型，可以更有效地對(duì)城市進(jìn)行管理，提高公共服務(wù)設(shè)施和道路規(guī)劃、排澇、防災(zāi)、垃圾處理及新能源開發(fā)利用的能力，改善居民生活質(zhì)量。

助力制造強(qiáng)國(guó)和數(shù)字中國(guó)建設(shè)

當(dāng)前，人們對(duì)于數(shù)字孿生技術(shù)還存在一些模糊認(rèn)識(shí)。需要明確的是：數(shù)字孿生不只是幾何形態(tài)的，更是物理形態(tài)的；不只是靜態(tài)的，更是動(dòng)態(tài)的；不只是對(duì)象的，更是環(huán)境的、系統(tǒng)的。數(shù)字孿生可以仿真人在實(shí)際問題中感知不到的某些環(huán)境。如車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，不能只涉及汽車的機(jī)械及其移動(dòng)問題，還需要考慮無線通信、傳感、路況等復(fù)雜環(huán)境。數(shù)字孿生也不僅僅針對(duì)產(chǎn)品，還針對(duì)使用者。仍以自動(dòng)駕駛為例，除了車的數(shù)字孿生模型，還需建立駕駛者數(shù)字孿生模型，以便在困難情況下基于特定的駕駛者行為反應(yīng)，進(jìn)一步調(diào)整駕車效果。

總之，數(shù)字孿生體不僅是物理實(shí)體的鏡像，更要實(shí)現(xiàn)與物理實(shí)體在全生命周期的共生。如果只是建立了數(shù)字化樣機(jī)，卻沒有實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型與其物理對(duì)象之間的交互或共生，就不能稱為數(shù)字孿生。要想釋放數(shù)字孿生的價(jià)值，整合數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)和模型就非常必要。構(gòu)建數(shù)字孿生涉及多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)問題，如構(gòu)建模型、數(shù)據(jù)傳遞、服務(wù)接口、連接識(shí)別、部署機(jī)制等，只有形成健全的生態(tài)系統(tǒng)，產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同合作，才能達(dá)到數(shù)字孿生體與物理實(shí)體的“共生”。

當(dāng)前，正處于一個(gè)利用信息化技術(shù)促進(jìn)產(chǎn)業(yè)變革的時(shí)代。數(shù)字孿生集合各類新興技術(shù)，將數(shù)字世界與物理世界相融合，為工業(yè)設(shè)備等提供完整的生命周期數(shù)據(jù)，逐漸成為智能制造等行業(yè)的重要應(yīng)用趨勢(shì)，也成為數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)設(shè)施。數(shù)字孿生技術(shù)推動(dòng)著技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)革新，推動(dòng)更智能、更綠色、更安全的可持續(xù)發(fā)展，將在我國(guó)建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)和數(shù)字中國(guó)的進(jìn)程中發(fā)揮重要作用。

（李培根 黃 培 作者分別為中國(guó)工程院院士、中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)智能制造專業(yè)委員會(huì)副主任）