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数字孪生背景图像

数字孪生:桥接现实与虚拟世界 <

 

 

 

 

June 2022

爱立信 Imagine Studio 的 Jon Gamble 请您想象一个超越屏幕的数字世界。

What?


数字孪生是物理对象、流程和系统的动态虚拟复制品,可实现无风险测试和原型设计,提高效率、生产力和安全性,并加快产品上市时间。

Why?


作为虚拟实验室,数字孪生可以实现预测和预测性维护,以减少停机时间、浪费和成本,同时提高供应链效率和有效的远程协作,从而减少碳密集型旅行的需要。

How?


数字孪生是连通性、云计算、人工智能和遥感技术创新的产物,它依靠不断更新的现实世界数据流与物理对应物同步。

外卖

数字孪生可提高生产力、安全性和质量,并通过消除差旅要求和浪费来支持可持续发展目标


数字孪生在爱立信工厂中发挥着重要作用,可将计划外停机时间减少约 50%


预计到 2026 年全球数字孪生市场价值将达到 482 亿美元


天线/站点安装从“勘测完成”到“设计完成”的交付周期缩短了 50%


数字孪生将创建一个“信息物理连续体”,这意味着两个现实中的事件都会影响另一个现实,模糊虚拟与现实之间的界限

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数字孪生给予我们洞察八方的能力

数字孪生让我们能够看到周围发生的事物。

在虚拟的现实世界中,人们可以模拟出各式各样的地点、物品和系统,在没有风险或打扰的情况下开展实验。

假如你是一位工程师,想要尝试一个新的风力涡轮机设计。比起远程测试,在虚拟世界中测试是不是会更好?假如你负责管理一系列的远程工厂,想比较每一个工厂的表现如何。如果不离开办公桌就能访问每个厂址,岂不是非常高效?

数字孪生提供了一个测试平台,或者叫虚拟视点,可以在应用到现实世界之前,先在虚拟世界中预先体验。这就是数字孪生的魅力所在。

由于新技术的汇集(5G、传感器和扩展现实设备等越来越普及),数字孪生技术在近期得以广泛使用。尽管如此,早在20世纪60年代,美国宇航局就为太空任务引入了复制系统,以便在可控的环境中测试设备,并最终让阿波罗13号在1970年成功发射。然而直到1992年,David Gelernter才在他的著作《镜像世界》(Mirror Worlds)中描绘了这种技术更大的可能——未来的计算机系统将相互连接,它们创建的映像可以交互,并能作用于现实世界。

数字孪生的实际概念,是Michael Grieves博士在2002年提出的。他在对产品生命周期管理进行研究时引入了这个概念。从那以后,数字孪生逐渐成为现实,港口和工厂等地点具有了可视化和自动化。据预测,数字孪生将成为最有市场前景的一项技术,到2026年,潜在市场价值在全球将达到480亿美元(来源:MarketsandMarkets)。

模型和模拟

什么是数字孪生?如果在网上搜索,你会发现各种各样的解释。例如,数字孪生可以被定义为软件形式的物品和流程,具有非现实世界能力的增强。或者说是现实中事物的虚拟复制,以及与之关联的流程,可以用来预测现实或与现实交互。

简单来讲,想象进入一个虚拟复制的客厅,每样东西都以数字的方式呈现,并摆放在原有的位置上。当你在真实世界的家中打开电视,虚拟房间中的那台“电视”也会近乎实时地打开——换句话说,动作可以在两个不同的现实之间传递。虚拟世界可以复制诸多现实元素,还可以根据真实世界发生的事件不断调整和学习,这就是数字孪生的基础。

为了更好地理解数字孪生是什么,我们有必要将其与模拟(simulation)区分开来,它们有共同的特征,但也有一些重要的区别。

模拟是由设计者的想象力创造的,他们使用模拟来分析不同场景的因果关系,而且基本上都是离线进行的。在大多数情况下,模拟是一次性任务,帮助设计和分析研究。相比之下,数字孪生是由真实世界和虚拟世界之间的信息及时同步驱动的,因此它能够适应两个世界中的变化。模拟主要是理论上的,而数字孪生是具体的和实际的。

数字孪生与元宇宙也有一些相似之处,它们都是提供虚拟互动的数字空间。但元宇宙和模拟更为相似,都是由开发者构建的,通常代表一个虚拟领域(如未来主义的景观或一座童话城堡),它所代表的世界可能与真实世界没有关联,或只是部分相似。但数字孪生是因数据而生(例如,虚拟和现实之间不断传输的数据),真正做到了对现实世界的复制。我们可以把数字孪生看作是真实世界的映像,会定期更新以保持两个世界的同步,

数字孪生有以下4项主要特征:

  1. 用数据模型和数据结构展示对真实世界中的目标的观察、其状态和它们之间的关系。
  2. 使用真实世界的数据创建数字孪生。通常,数据是持续更新的,以确保数字孪生世界的准确和时效性。
  3. 可以使用数据分析工具,释放数字孪生的能力并获得新的洞察。这可能是从一个或多个传感器中获取的数据,也可能是采用复杂的算法来预测未来、模拟不同的场景或做出分析。
  4. 具有通过各种API、GUI或其他人机接口与数字孪生互动的技术;获得洞察并用来在现实世界中做出更好的决策,这些决策可以在真实或虚拟世界中得到实践。
开放性
定位
感知
认知网络的搭
可视化
实现它

数字孪生有广泛的功能。随着时间的推移,未来会涌现出各式各样的应用和更多种类的数字孪生。这一切都要从主系统的某个简单要素开始,例如温度传感器或流量检测器。随着多个部分的结合,数字孪生将提供仅凭查看单个部分无法获得的信息,反映出各个部分之间的交互情况。例如,当某个地点具有完整的数字化呈现,数字孪生就可以给出指示,帮助提高生产力、质量和安全性。

数字孪生不受地域的限制,在任何情况下都可以访问。不同数字孪生之间的无限连接还能实现跨系统的学习,例如向其它地区的工业部门学习,从而得到更深层的洞察。

数字孪生与工业

在当前的数字转型中,人们更加期待看到移动连接的全部潜力。大家达成的共识是,数字孪生会在转型中发挥重要作用。爱立信的许多研究就是在这样的背景下开展的。我们位于得克萨斯州的工厂,也开展了一个数字转型计划,数字孪生的使用让表面贴装组装(Surface Mount Assembly, SMA)生产线的计划外停机时间减少了50%,废弃物也减少了30%。

爱立信与意大利的利沃诺港合作,利用数字孪生找出可以优化港口运营的方式,以及可以带来经济、社会和财务效益的要素。方法是通过摄像头、GPS和其他附在物体上的传感器对港口活动进行持续监控。此举帮助管理者在现实世界中进行调整,并产生了可衡量的影响:

  • 据估计,船舶作业完成时间减少了13%,叉车使用时间减少了17%,最终减少了超过8%的碳排放量。
  • 对于这个中型港口货运码头,预计每年可节省约6000万美元的成本。
  • 利沃诺港的研究提供了强有力的证据,证明了13项与可持续性和人员安全有关的直接和间接效益,能够通过更好的连接实现。
  • 我们可以对整个码头的资产和工作表现趋势进行监控,以实现预测性主动维护,甚至远程维护。

在汽车制造业中,数字孪生已被广泛应用,让身处世界各地的设计、工程和制造团队,可以实现更良好的协作,从而加快开发速度。

例如,英国电信(BT)、爱立信、英伟达(NVIDIA)和Hyperbat(一家汽车电池制造商)展开合作,在工厂车间呈现出1:1设备大小的三维复制品,使人们能够在虚拟、共享和受控的空间中协同开发。这使得Hyperbat能够在其制造过程中提高效率,同时也消除了多个团队使用不同管理系统而带来的复杂性。

无独有偶,行业领先的耳机制造商Varjo的创始人兼首席技术官Urho Konttori指出,有了这项技术,“团队感觉办公室与工厂之间的距离更近了,在一个虚拟空间内实现全连接,还免除了出差的辛劳。”

“团队不再感觉像是总部或工厂的卫星,而是一个单一的项目,在一个共同的虚拟空间内完全连接,从而无需出差。”

Urho Konttori,Varjo 创始人兼首席技术官

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今天,Var Jo CTO 讨论了制造人性化品质耳机所面临的挑战。

数字孪生在诸多行业中的好处:

好处

概述

风险管理 情景建模、预测、决策
提升生产力 工作表现分析,减少停机时间
预测性维护 可靠性,减少成本
远程协作 设计定制化,减少差旅需求
实时监控 改善客户服务、增强生命周期内的产品洞察力、提高供应链效率
远程操作 新技术用以远程支持任务关键性操作(需要非常低的时延),增加员工安全性

下一步是?

随着更多设备和应用程序的连接,越来越多的行业和企业开始使用数字孪生。各个系统的连接具有无限可能。

同时,人工智能算法和数字孪生的结合将对行业至关重要,它们将为应用和服务提供新的技术解决方案。为了实现这一点,数据传输的数量和频率会增加,这意味着对网络更高的要求。

在数据不够的情况下,可以考虑利用数字孪生来获得信息,并不断从中学习。在这类情况下,数字孪生可以与人工智能算法结合,做出合理的决策,弥补传感器或网络位置的限制造成的不足。

目前,为了让人们更加了解数字孪生的潜力,我们还有很多工作要做。爱立信行业实验室最近发布的一份报告显示,数字孪生的价值是 “制造商们最没有意识到的部分”,尽管那些使用了数字孪生的制造商立即就看到了它的好处。

了解数字孪生如何使建筑行业和医学学习变得更加有效。

有关未来

网络升级和扩建是维持网络质量、启用新服务和技术的核心,也是影响投资决策的主要因素。因此,我们必须确保正确的入场时机,并选择最合适的解决方案。

从分布在各处的传感器收集数据以创建数字孪生可以帮助场景规划,从而优化投资或调整运营方式。具体来说,这样做可以更详细地评估产品是否达到客户的期望值,避免财务风险,同时做到有的放矢,实现最佳投资回报和客户满意度。

到2030年,数字孪生将在医疗方面发挥作用。通过人体数字化,对用户进行持续性跟踪诊断,防患于未然。飞利浦医疗认为,未来可能会有“患者的个性化终身模型,随着每次体测、扫描或检查而不断更新数据(也括行为数据和基因数据)”如果这项技术可以通过新型可穿戴设备(相当于用于糖尿病的传感器)进行扩展,人们将获得移动能力、环境变化和日常生活方面的信息。

数字孪生将使内科或外科医生对患者的健康有更全面的了解,从而更广泛地发挥他们的医学才能。随着机器认知能力的发展(比如模式识别和大量相关的模拟),医生能够获得的信息将比现在高出几个数量级。

除了增加可持续性、提高效率、降低差旅和减少浪费带来的好处之外,“游戏为善(Games for Good)”的引入也可能对社会产生深远影响。

它通过游戏化手段和对个人习惯的了解,连接现实和虚拟世界。例如,孩子可以在学校的操场上收集垃圾,当把垃圾放进垃圾桶时,网络会计算垃圾的重量,然后给予他们数字化奖励,以便在他们喜欢的游戏中使用。

另外,玩家也可以在虚拟世界中畅游,这个虚拟世界是一个现实地点的复制, 比如说海边。他们可以控制现实世界中的设备,清除海滩上的垃圾。而海滩上的一切可以被数字捕捉并实时更新到虚拟世界中。为了确保安全,还可以进一步实施SLAM(同步定位和映射)和深度学习,防止物品在真实世界中发生碰撞或损坏。

欧盟委员会认为,到2030年,数字孪生的地球将会出现,用以支持名为DestinE的气候行动。使用人工智能,进行实时、连续而符合情景的监测,将帮助预测自然和人类的活动。在南极洲,爱丁堡大学已经可以通过数字孪生追踪环境和地理的重要变量,比如冰面上或冰面下融水可能的去向。从多个不同的来源和地点收集数据,“连接”将发挥重要作用。

数字孪生成为行业和社会的重要组成部分,爱立信将起到怎样的作用

在不久的将来,数字孪生将以某种方式影响我们的生活。因此,爱立信不断探索如何通过合作创建专业的解决方案,从中确定数字孪生将以何种方式成为不断发展的网络架构的一部分。

爱立信还积极参与行业合作,并帮助在数字孪生技术的词汇、架构、安全性和互操作性方面制定一致的标准。具体来说,爱立信专注于五个领域:

50 % decrease
in planned downtime
30 % reduction
in waste

数字孪生在虚拟端依赖软件,在现实端依赖传感器。移动网络将这些功能结合在一起,为数字孪生应用软件(通常有人工智能的助力)提供高效可靠的连接和网络嵌入式的计算能力。此外,网络本身也有数字孪生有价值的数据,例如在定位和感知方面(如下文所述)。

数字孪生能够调整网络服务以匹配使用方式。例如,某个数字孪生中的实时复制需要低时延通道,那么网络将会动态调整,以匹配这一需求,包括连接需求和软件组件在边缘数据中的位置需求。

数字孪生的一项基本能力是将信息关联到某个时间和空间的环境中。由于定位精度的不同,会导致不同的表现,以及局限性。例如,除非使用中继器,否则GPS无法在室内工作。摄像头能提供高精度信息,但正常工作范围只有大约50到60米。然而,蜂窝连接已经可以提供定位和实时数据的功能,并且正在逐步发展。

新一代网络不断发展,可以增强感知能力,实现对无源设备的观测。例如,在工厂环境中,设备或授权网络应用程序的位置可以使用其他独立的定位信息进行验证。网络验证将发挥重要作用,确保关键通信环境的耐用性,抵御干扰和恶意软件的威胁。

这一点在数字孪生领域尤其重要。尤其是当需要跟踪车辆、货物,或提供移动物体的实时AR信息时。定位的准确性取决于任务类型。

例如,对于港口存储区的货物,精度必须在20到30厘米之间,而在数字孪生系统中,对于来回穿梭的叉车来说,定位精度需在0.5到1米之间。使用AR时,定位精度在很大程度上取决于应用领域。如果需要获取某个具体部分的信息,例如开关或按钮,定位精度必须在毫米到几厘米的范围内。

新一代网络将支持更高级别的感知,提高可用数据水平。

数字孪生需要输入数据才能让客户真正受益。这种输入可以来自外部,也可以来自网络本身,这通常被称为通信感知一体化(JCAS)。例如,通过从通信节点收集有关接收信号强度的息,结合本地天气状况的详细数据,可用于提高天气预测的准确性。

再举一例,我们可以利用为通信部署的大量节点,创建类似雷达的功能。利用此功能,可以创建周围环境的数字地图,并将其用于交通管理、医疗和安全等应用。

在这些例子中,感知是在部署的网络之上的一种增值服务。可以实现高成本效益的感知和更广泛的覆盖范围,能够补充甚至取代专用感知系统。要实现这些优势,就必须要更有效地利用无线资源,在结果的分发上具备可扩展的机制,还要有基于人工智能的结果解析。当然,保证收集信息隐私的机制更是重中之重。

随着网络变得更加自动化,智能的几个层面将为行业带来好处。在认知能力的帮助下,系统可以在几乎没有人类参与的情况下采取行动、做出改变和决策,但这需要数字孪生的支持。

随着时间的推移,这些能力将扩大,承担起目前只有人类才能履行的责任。数字孪生可以为这一认知决策过程提供重要输入,以确保选出最佳方案。可能实现的应用有:

  1. 认知系统可以要求数字孪生评估不同的配置和场景,以便在没有或者很少人工干预的情况下安全运行,或者找出抵达不同服务的性能目标的方式。
  2. 数字孪生可以获得来自其他智能系统的知识和预测,从而做出更好的选择。例如,通过使用多样的实时数据,可以收集多个移动目标的信息,并用来实现网络资源的最佳利用,例如在调度机制方面。
  3. 人工智能算法可以在数字孪生环境中安全地进行训练,还可以生成足够的训练数据。这将使这个组合更有效地学习,通过反馈和经验,生成最佳解决方案,以帮助提高生产率、质量或安全性。

可视化对我们来说仍然是一个挑战。扩展现实(XR)技术,尤其是虚拟现实(VR)和增强现实(AR),是理想的可视化和交互工具。它们利用3D几何、空间计算、音频、视频、文本和来自多个来源的媒体,将数字孪生信息以视觉方式呈现:

  • 有了虚拟现实,用户可以操纵物体,或与同事远程协作,避免受伤或损坏设备。
  • 有了增强现实,数字孪生的一些元素可以融入现实,为人感知。因此,由孪生的数字信息带来的增强现实,融合了现实和虚拟的表现形式。

如今,VR和AR设备的空间精度都已达到厘米级别。如果动作捕捉精度至关重要时,这个精度仍会限制用例的实现。然而,随着新产品不断引入市场,这些可视化技术将继续发展。随着可视化精度的提高,不久的将来,数字孪生就将充分发挥其全部潜力。/p>

结论

未来几年,数字孪生的演变将把在两个现实中存在的东西融为一体,用户在一个世界中的行为,将对另一个世界造成影响。随着这两个世界不断地相互监测、相互学习,然后做出适应,它带来的机会具有无尽可能。

未来,数字孪生必将发挥更大的作用,为用户、工作场所乃至整个世界带来巨大的影响。

爱立信、Imagine Studio 的 Jon Gamble 讨论了如何利用改变游戏规则的技术在现有数字现实的基础上进行构建。

2030 年愿景

今天,Var Jo CTO 讨论了制造人性化品质耳机所面临的挑战。

数字孪生在诸多行业中的好处:

好处

概述

风险管理 情景建模、预测、决策
提升生产力 工作表现分析,减少停机时间
预测性维护 可靠性,减少成本
远程协作 设计定制化,减少差旅需求
实时监控 改善客户服务、增强生命周期内的产品洞察力、提高供应链效率
远程操作 新技术用以远程支持任务关键性操作(需要非常低的时延),增加员工安全性