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一文讲述什么是数字孪生?

2023-08-15作者:捷码浏览:

当前世界正处于百年未有之大变局,数字经济在各国已成为经济发展的重点。数字经济也是我国社会经济发展的必经之路。

近些年,大数据、人工智能、数字孪生等技术的发展促使技术与国内各产业进一步融合,从而推动了各产业在智能化、数字化等方面加速发展。

在未来,所有产业都可能通过数字化手段优化生产经营流程,从而提高行业效益。

在各行业的数字化转型过程中,数字孪生是关键抓手。目前数字孪生理论体系已基本成熟,在工程建设、产品设计制造等行业也有了较为深入的应用。

究竟什么是数字孪生?本文将从数字孪生的发展背景、定义、特征等方面带你了解数字孪生。



一切从一个航天计划说起....


这个航天计划就是著名的“阿波罗计划”!


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当时美国国家航空航天局计划构建两个相同的航天飞行器,其中一个飞到太空执行任务,另一个留在地球上用来反映太空中“兄弟”在任务中的工作状态,从而帮忙处理工作中的紧急情况。这就是早期“孪生”概念的起源。


当然,那个时候还是想放两个实体的航天飞行器,并不是所谓的“数字孪生”。关于数字孪生(Digital Twin)的设想首次出现于Grieves教授在美国密歇根大学的产品生命周期管理课程上。正式提出是在2010年的NASA的技术报告里,NASA在报告中把数字孪生定义为“集成了多物理量、多尺度、多概率的系统或飞行器仿真过程”,用来进行飞行器健康管理的应用。后来,美国航空航天局和美国空军渐渐发现数字孪生的价值,就将数字孪生越来越多用于航空航天领域,比如机身设计与维修、飞行器故障预测、飞行器能力评估等等。



数字孪生定义

什么是数字孪生呢?

数字孪生是一种虚拟模型,主要用于精确反应物理对象。数字孪生会给研究对象配备用于收集重要性参数的各种传感器,传感器会收集对象的性能方面的数据,并将数据转发至处理系统并应用于数字副本。


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远眺捷码数字孪生可视化—智慧工厂

比如,我们想要优化工厂的生产过程并提高生产效率,我们可以创建一个数字孪生来模拟和监控工厂的运行情况。
首先,我们使用传感器和物联网设备来收集工厂中各个设备的数据,如温度、湿度、机器运行状态等。这些数据将通过网络传输到云平台进行存储和分析。
然后,在云平台上,我们使用数据分析和建模技术,将收集到的数据转化为工厂的数字模型。这个数字模型是基于实际设备和工艺的虚拟表示,它反映了工厂的结构、运行规则和关联关系。
最后,通过可视化界面,我们可以实时监测工厂的运行状态,并与数字模型进行对比。如果发现任何异常或潜在问题,我们可以立即采取相应的措施,以避免生产中断或质量问题。


数字孪生特征


有人说,数字孪生不就是元宇宙吗?


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远眺捷码元宇宙展厅


确实,两者在虚拟化和模拟方面有相似之处,但却是两个不同的概念。

数字孪生主要用于模拟和监控现实系统,它主要基于现实中的传感器和数据,通过构建实际系统进行仿真、监控和优化,比如农业、园区等等。


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远眺捷码数字孪生可视化—智慧农业

而元宇宙则是一个更加广阔的概念,它是一个全息的、虚拟的、现实的世界。
类似我们常在影视剧里看到的平行世界,元宇宙相当于一个存在的、虚拟的平行世界,人们可以以虚拟身份参与各种活动,与其他人进行交互,探索虚拟环境,甚至进行商业交易。
元宇宙的概念更加注重人与虚拟世界的互动和体验,以及虚拟环境的创造和拓展。而数字孪生有如下典型特征:

1、互操作性

在数字孪生中,数字空间与物理对象可以双向映射,可以相互联系和同步。
我们可以通过传感器、监控设备等方法,将物理对象的数据和状态反映到数字空间中。反过来,我们也可以通过利用数字空间中的模型和仿真来指导和优化物理对象的运行。

2、实时性

数字孪生的实时性是指数字孪生系统能够以接近实时的方式反映和更新实际系统的状态和数据。
通常情况下,数字孪生通过传感器和数据采集设备来收集实际系统的数据,并将其传输到数字孪生系统中进行处理和分析。数字孪生系统会使用这些数据来更新数字模型,并反映实际系统的当前状态。
实时性意味着数字孪生系统的数据更新和反馈几乎是即时的。当实际系统发生变化时,数字孪生系统能够快速捕捉这些变化,并实时更新数字模型。这样,我们可以在数字孪生系统中看到实际系统的最新状态。

3、保真性

数字孪生中的物理实体和数字虚体是非常接近的。不仅是在几何结构的高度仿真,在状态、时态、相态上也会仿真。数字孪生的仿真性根据不同的需要会不相同,例如工况场景中可能只要求描述虚体的物理性质,并不会关注化学结构和细节。

目前,数字孪生技术已经大面积在工业、制造业、智慧城市、医疗等领域落地应用,未来也会在更多领域发挥其独特作用。数字孪生技术本身具有深度分析、高效决策等特点,对推动我国数字产业化进程,具有重要意义。




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