開(kāi)車(chē)的人都怕遇到這種情況:車(chē)輛在野外突然拋錨,自己不會(huì)修,附近也沒(méi)維修店。如果這輛車(chē)配有一個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng),與它一同運(yùn)轉(zhuǎn),實(shí)時(shí)顯示車(chē)輛各部分運(yùn)行狀況,提前告知可能會(huì)出現(xiàn)的故障以進(jìn)行維護(hù),那么就能減少車(chē)輛意外拋錨情況的發(fā)生。

這項(xiàng)功能被稱為“預(yù)測(cè)性維護(hù)”,是數(shù)字孿生技術(shù)的重要優(yōu)勢(shì)。數(shù)字孿生是指物理空間中的對(duì)象在虛擬空間中的數(shù)字模型,該模型通過(guò)傳感器隨時(shí)獲取真實(shí)物體的數(shù)據(jù),并隨之一起演變、成熟甚至衰老。利用該模型,人們可以對(duì)物理對(duì)象進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)、診斷或者訓(xùn)練,從而優(yōu)化和決策。這個(gè)數(shù)字模型就像是真實(shí)物體的孿生兄弟,因而得名。小到一顆螺絲釘,大到一座城市,物理世界中的各種事物均可擁有數(shù)字孿生模型。

數(shù)字孿生并不是全新技術(shù),而是建模仿真技術(shù)在制造領(lǐng)域的新發(fā)展之一。與一般的建模仿真相比,數(shù)字孿生的模型是數(shù)字化、動(dòng)態(tài)的,數(shù)字模型與其物理對(duì)象始終保持一致。數(shù)字孿生這一術(shù)語(yǔ)最早應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,即用數(shù)字孿生模擬飛行器執(zhí)行任務(wù)前的虛擬飛行,從而對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析和優(yōu)化。此后,數(shù)字孿生越來(lái)越受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的關(guān)注。

目前,數(shù)字孿生技術(shù)主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。在虛擬空間構(gòu)建產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型,完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化,甚至模擬工廠布局,實(shí)現(xiàn)資源調(diào)配、智能化生產(chǎn),顯著提高生產(chǎn)效率。德國(guó)西門(mén)子公司推出了較為完整的企業(yè)數(shù)字孿生體系,用數(shù)字孿生技術(shù)打造虛擬車(chē)間、數(shù)字工廠。美國(guó)通用公司在其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)Predix上利用數(shù)字孿生技術(shù),對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障檢測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)。美國(guó)特斯拉公司為其生產(chǎn)的車(chē)輛配備了數(shù)字孿生模型,通過(guò)傳感器接收數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)更新程序。據(jù)估計(jì),到2021年,全球50%的大型工業(yè)企業(yè)將使用數(shù)字孿生技術(shù),效率將提高10%。

數(shù)字孿生將是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要內(nèi)容。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù),數(shù)字孿生的應(yīng)用空間正不斷擴(kuò)展。數(shù)字孿生技術(shù)可以給醫(yī)療保健和病人護(hù)理帶來(lái)革命性變化。患者穿戴上傳感器,由人工智能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)字孿生模型就隨之生成,其體征變化會(huì)如實(shí)反映在模型上。醫(yī)生可時(shí)刻監(jiān)測(cè)病情進(jìn)展,第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,并在數(shù)字孿生模型上進(jìn)行試驗(yàn),以獲得最佳治療方案。數(shù)字孿生技術(shù)還可以大大縮短新藥從開(kāi)發(fā)到上市的時(shí)間。此外,城市管理、智慧農(nóng)業(yè)、教育培訓(xùn)等都將是數(shù)字孿生技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。

不過(guò),數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展也面臨許多挑戰(zhàn)。其中最主要的是保證所建立數(shù)字模型的可信性。建立一個(gè)高質(zhì)量的數(shù)字模型,并使其能夠最大程度反映物理對(duì)象的特性,這一工作仍任重道遠(yuǎn)。目前,數(shù)字孿生在很多場(chǎng)景還只能作為決策輔助或參考。

(張 霖 作者為北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與電氣工程學(xué)院教授、國(guó)際建模仿真學(xué)會(huì)前主席)