数字孪生:桥接现实与虚拟世界 <
June 2022
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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
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:
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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。
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
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。
有关未来
结论