工业机器人数字孪生技术应用，数字孪生的应用

来源：头条浏览：0 2022-12-05 19:14:01

一个螺丝钉，一个城市，很小，数字孪生即将给我们的生活带来革命性的巨大变化。

什么是数字孪生

在《失控玩家》电影中，人们可以在数字虚拟世界中娱乐、工作甚至恋爱。电影中描绘的这些场景是数字孪生吗？

电影《失控玩家》剧照|豆瓣电影

从广义上讲，这部电影所描述的场景也是数字孪生的应用。在学术研究和工业应用中，数字孪生是一个技术或偏颇的信息类概念。

以人为例，数字孪生技术可以基于人从出生到成长过程中的所有数据，以及父母遗传病史等信息建立数字虚拟模型，该数字模型相当于人体的数字双胞胎，用于判断、推导人体未来的健康状况，进而帮助早期介入数字孪生具有与人类共生的特征，即数字孪生中的数字模型应当映射到相应的真实人类全生命周期中，并与人体各变化同步更新。

数字孪生技术可以作为人的数字虚拟模型| Pixabay

数字孪生人技术的目的不是在虚拟世界中创造“新人类”，而是利用数字孪生技术为人类提供一些辅助。例如帮助用户体检、帮助医生个性化术前演练、帮助运动员分析如何更完美地训练动作等。 2020年3月20日，牛津大学发表了关于心脏病理学疗法中数字孪生的论文。本文通过监测、记录心脏数据，建立心脏数据模型，在心脏手术前，提前在数字孪生心脏进行预演，制定手术方案，明确了提高手术的安全性和准确性。

数字孪生利用信息技术，与现实世界的实体建立非常真实的数字孪生模型，或称为数字孪生体。换句话说，数字孪生是通过在某个物理对象中建立数字化模型来实现物理对象与数字模型之间数据和信息的交换、联系与反馈的技术。

数字孪生的起源和发展

2002年，美国的迈克尔格里弗斯博士提出用计算机制作和实物完全一样的模型。这是数字孪生概念的第一个雏形。

2010年，美国国家航空航天局利用数字孪生技术大幅降低了航天器的研发成本。波音公司的777客机也是利用数字孪生技术进行初期技术开发设计的典型例子。

波音777客机的整个研发过程中，没有使用任何图纸模型，涉及的300多万部件完全依赖数字孪生技术进行模拟、实验。据报道，该技术将波音公司的返工量减少了50%，研发周期缩短了40%。据相关情报研究机构分析，未来1-2年内，全球50%以上的大型工厂将使用数字孪生技术，提高的生产效率将接近10%。

将数字孪生模型应用于波音777客机开发| Pixabay

这些成功案例验证了数字孪生技术的先进性，推动了数字孪生技术的发展。

国内的数字孪生从无到有

目前，数字孪生技术已经在国内受到关注并开始扎根，其发展过程可以说是十年磨一剑。

北京航天航空大学陶飞教授团队是国内最早的。一批研究数字孪生技术的学者。到2021年，陶飞教授带领的数字孪生技术团队已经走过了10多年的时间，从理论探索到技术攻关，再到案例配置与研发，每一步都有故事可讲。

陶飞教授在2020年第四届数字孪生与智能制造服务学术会议|北京航空航天大学

2010年，陶飞精心挑选了十几个研究生，决定带领这些年轻人组成中国第一个数字孪生研究小组。经过多年的钻研，陶飞带领团队完成了第一篇关于数字孪生的论文。但是，一个月后等待的不是发表的喜讯，而是论文被退回的消息。

陶飞教授分析，当时稿件撤回的原因主要有两个。一是中国以前在数字孪生领域没有发表过任何文章，杂志方面可能不承认国内数字孪生的科研水平。二是许多学术杂志的审判权掌握在国外学者手中，而中国要得到国外的认可，需要更多的质量和数量的变化，需要逐步提高知名度。

于是2017年，陶飞决定在国内举办数字孪生交流会。我想呼吁更多的学者加入数字孪生的研究小组。当时，许多与会者对数字孪生技术并不陌生，但这次会议真的掀起了国内对数字孪生技术的研究浪潮。

首届数字孪生与智能制造服务学术研讨会合影| BTV创新北京

随着中国数字孪生队的逐渐壮大，陶飞在数字孪生领域也取得了不少成绩。终于在2019年，世界顶级期刊《Nature》向陶飞团队发出邀请，请他们撰写关于数字孪生的评论文章。

短短几年，中国的数字孪生研究小组脱稿后就应邀前往写作。被委托投稿这篇文章叫做《Make more digital twins》 ——，正在进行更多的数字孪生。主要内容是数字孪生如何服务于更多的工业领域，帮助数字化转型、智能升级，提高世界制造能力和水平。这篇文章使国际上的一些同行理解和承认了中国在数字孪生所做的工作。

nature页面： Make more digital twins

获得批准后，陶飞教授开始渴望数字孪生技术在现实中得到验证和应用。

2019年某周五，陶飞教授应邀在武汉一次会议上介绍数字孪生五纬模型及应用思路。来自太空五院的与会者在会后与陶飞教授取得联系，就数字孪生技术在卫星领域的探索应用展开交流。两天后，太空院主任工程师带着同事来到北航，再次与陶飞教授交流。一周后，航天五院与陶飞教授就数字孪生技术在卫星领域的应用签署了合同。这也是陶飞教授收到的第一份在数字孪生技术领域的应用合同。

一年后，在陶飞团队和航天五院专家的不懈努力下，数字孪生技术成功实现了卫星总装厂的设计布局和验证。陶飞教授实现了自己在数字孪生领域研究的闭环，迈出了数字孪生在国内推广应用的第一步。

数字孪生护送加气站

目前，数字孪生技术在中国有很多落地案例。例如在北京燃气场站，满足北京市约200万人口天然气使用需求的燃气网站引入了数字孪生技术。

燃气泄漏容易引发爆炸事故，一旦发生，将对人民生命财产安全造成严重威胁。然而，在传统的燃气管理系统中，燃气管道一般只需人工巡检，许多隐患并未被及时发现。 2021年4月，湖北十堰发生瓦斯爆炸事故，原因是人工排查瓦斯管道隐患，造成现场25人死亡。

湖北十堰瓦斯爆照现场|凤凰网

为减少类似事故的发生，北京燃气场站首次引用数字孪生技术保护燃气运输安全。对加气站数字孪生技术的需求主要有两个方面。一个是稳定运行，另一个是安全的。北京燃气场站利用数字孪生技术建立了“见所得”三维可视化监控系统。通过该系统，网站可以及时了解当前燃气库存、燃气管道阀门开度、燃气流量和压力以及系统中的其他数据。当然，也可以监视配管是否漏气。

北京燃气场站实景| BTV创新北京

该可视化监控系统的三维是指全天候、全要素和全方位。燃气系统的实验仿真表明，管网中有很多鼠标可以进入，但存在人进不去、看不见、检测不到的位置。数字孪生技术有助于实现场地狭小空间的地下空间可视化检测。

数字孪生技术有导出的可能性。在燃气管网的传统运输系统中，通常只有在阀门实际松动导致燃气泄漏时才会发现问题。但数字孪生系统通过监测和采集燃气管道的燃气压力、流速等数据，推导阀松动时间、提前人工干预，可以降低事故发生率。该三维可视化监控系统对整个城市的安全性具有划时代的重要意义。

燃气场站数字孪生模式| BTV创新北京

数字孪生技术也有可追溯性。在数字系统中，所有的设备、操作、动作都被记录下来，具有可追溯性。燃气事故发生后，这些记录有助于网站合理分析原因，使责任制度更加透明、科学化，解决两系统经常并行出现的责任不明导致的管理困难等问题。

北京燃气场站只是数字孪生技术的一部分应用。从整个工业体系来说，数字孪生技术其实可以帮助整个产业链的数字化转型，实现智能制造。

数字孪生进入纺织厂

从去年的流行开始，很多纺织企业就把橄榄枝投向了数字孪生技术。纺织车间的规模一般很大，涉及的流程非常多。例如，一个掉线小环节包括用化学原料纺长线、设备缠成线饼、中转设备运输等多个环节。

瘟疫流行期间，口罩等医疗纺织品的需求量激增，对纺织厂的生产效率提出了新的挑战。而且，由于数字孪生技术的加入，工厂实现了远程监控、巡检、运维。这有助于工厂制定更加合理紧密的作业流程，减少工人现场操作的作业时间和各环节的等待无效，降低工伤概率，突破性地实现生产效率提高。

引进数字孪生技术初期需要投入很大的资金，但是提高效率带来的长期利益非常大，特别是对一个行业或者整个工业来说。

例如，一家物流设备商的设备出售给300家企业。如果这300家企业使用的相关设备同时出现问题，理想情况下该设备商需要派遣300名售后服务工程师进行运输。但是，一般企业不能拥有与客户数量相同数量的售后服务工程师，可能会导致售后服务效率低下，导致客户对企业的信用等级下降，影响后续的合作。

数字孪生技术可以在这300家企业中的相关设备上建立统一的管理系统。这就像给所有的设备都加了微信群，无论哪个设备终端出现问题，都可以立即向系统中心报告，系统中心可以远程进行准确的指导，减少现场人员的派遣。提高售后服务时效性。在这种情况下，工程师还可以提前了解情况，准备相应的工具和部件等资源，缩短现场运输周期。

综上所述，数字孪生技术给一个行业乃至整个工业带来的效率提升；从长远看，该技术可以增强提高市场竞争力，推动经济高效发展。

数字孪生助力智慧城市建设

距离北京100多公里的地方，一座名叫雄安新区的新城正在崛起。

雄安新区是目前从建设之初就从数字化角度设计的唯一城市。雄安中所有施工的建筑物和城市规划都建立了先进的数字化BIM模型。雄安新区在某地区需要铺设水网和燃气网时，可以事先通过相关模型进行模拟预测，预测推导方案的合理性和成本。

数字孪生思念

数字孪生技术使电影中许多科幻场景成为现实。例如，数字孪生技术可以实时监控救护车，调整救护车遇到的路况，向救护车发出绿灯，让救护车快速通行，在大量车流中实现奇迹般的畅通。这既是智能医疗，也是智慧交通。数字孪生技术可以应用于城市生活的无数周围神经。

利用这些数字孪生等新技术通过系统和服务进行整合，提高资源运用效率，优化管理和服务，改善市民生活质量的城市，也被称为智慧城市。

数字孪生的发展方向

从严谨和科学的态度来看，数字孪生技术不是万能的。数字孪生技术的应用应该针对不同的问题、不同的场景、不同的需求进行定制。

数字孪生在发展过程中一定会面临无数挑战。例如，数字孪生与其他技术的协同发展问题、数据获取方法、采集方法、高速传输方法、高速运算、处理方法、实时通信的实现方法等，这些过程同时涉及软硬件问题等多方面，不仅仅是数字孪生这个领域的问题。例如，模型的数量和数据量巨大，超过现实负担时，如何使数字孪生模型轻量化的问题也值得同样考虑。

也许有一天数字孪生技术会从梦想走向现实

对普通观众来说，数字孪生这个热词似乎一夜之间到来，但对科研人员来说，他们已经在目标和需求导向、需要数字孪生的领域扎根很久了。将来的某一天，不同的需求结合在一起，数字孪生在各个领域的应用将融合在一起，帮助智慧城市、智慧产业的实现，甚至“数字孪生地球”、“元宇宙”的概念也有可能从概念的梦想走向现实。

科技要求的不是颠覆我们的生活，而是有效地补充我们的生活。未来的数字世界，可能有你我的“数字双胞胎”，有双胞胎的数字世界，但双胞胎并不能代替人类的生活，只能提供更多的信息和选择作为参考，决策权仍然掌握在我们手中。

来源：光明网