数字孪生技术推动三维体验时代，助力天问一号成功着陆火星
右图为海尔集团利用数字孪生技术实现工厂的三维可视化。
2021年5月15日，中国火星探测器天问一号，历经9个多月的长途跋涉，成功着陆火星表面，这迈出了我国星际探测征程的重要一步，离不开中国航天人的攻坚克难、卓越创新，也离不开数字孪生等一系列先进技术的支撑呀。
伴随三维建模、工程仿真、物联网、大数据、人工智能、云计算、边缘计算、虚拟现实等诸多技术被广泛运用，人类社会迈入三维体验时期。对于产品、装备、产线、工厂、建筑、道路、桥梁，甚至整个城市，皆能够构建三维数字化模型。数字模型不但能够与物理物体形态极为相像，还能够达成性能仿真，近乎实现全要素映照。在物理对象历经的从研发设计开始，到制造建造阶段，再到服役过程，直至报废回收再利用的整个全生命周期里，能够借助虚实映射达成优化设计方案的目的，实现提升运行效率的效果，达成监测运行情况的目标，以及预测潜在故障和事故风险的成果。这样一种将物理世界与数字世界打通，进而实现虚实融合的复合技术，被称作数字孪生() 。
从天问一号的星际之旅谈起
我国自主搞出来的天问一号火星探测器，在2020年7月23日发射到空中；历经1次深空机动以及4次中途修正之后，于2021年2月10日成功进到火星轨道；5月15当天，天问一号成功穿过火星大气层，在火星乌托邦平原南部预选的着陆区域落了地；5月22日，“祝融号”火星车从着陆平台驶离，抵达火星表面，开启了对火星的探测行程。
达成这个格外繁杂的科学任务，便运用到数字孪生技术。我们清楚，研制普通产品之际，工程师能够借助实物试验去检测产品性能，修正设计方案，持续迭代优化。然而天问一号没办法在真实应用情形开展实物试验，所以科学家除了于地面对实物样机实施性能测试之外，还得针对天问一号的各个子系统、从地球飞往火星的轨迹以及火星大气和着陆区环境等构建数字孪生模型。在产品研发进程中开展全数字化仿真，在原型样机制造出来以后开展半实物仿真。所说的半实物仿真，指仿真对象为物理实体，其运行环境借软件予以模拟。天问一号朝着太空飞行以及着陆火星之际，经由卫星通信回传的实时数据，针对其数字孪生模型展开仿真分析，借此判定飞行轨迹与运行状态是不是正常，据此及时进行调控。为助力观众更优理解，电视直播通常也会 对航天器数字化模型开展运动仿真的视频动画。
术语“数字孪生”自起始便被运用在航空航天范畴，其目的在于处理航空航天飞行器的健康维护以及保障难题。自它诞生之际就能发觉，数字孪生是一种融合了三维建模、仿真与优化、物联网与传感器、人工智能以及虚拟现实等多样新兴技术的复杂技术。数字孪生技术能够快速演变成热潮这一情况，同样是源自数字化设计、虚拟仿真以及工业互联网等紧要技术的蓬勃兴起与相互交融。
以智能为目标的广泛应用场景
近年以来，数字孪生技术运用日益广泛，于智能制造领域存在广阔应用场景，且在智能建造领域具备广阔应用场景，于智慧家居领域有着广阔应用场景，在智慧医疗领域拥有广阔应用场景，于智慧城市领域存有广阔应用场景，于智慧交通领域呈现广阔应用场景 。
数字孪生技术应用中关注度最高的是智能制造领域。对于制造企业而言，于研发新产品之际，能够借助产品数字孪生模型去优化设计方案；于工艺规划阶段，可经由检查其数字孪生模型，判定每个零件是否能够制造，零部件于装配时是否彼此协调；于制造进程中，能创建生产设备、产线、车间甚至整个工厂的数字孪生模型，借助采集与分析制造数据，达成高效排产，提高设备利用率，及时察觉到生产质量问题；于产品服役阶段，可以通过安装视觉、温湿度、压力、振动、位移、速度等各类传感器来监测其运行情形，提升产品运行成效，开展故障预测以及预测性维修维护。
数字孪生技术于产品的运行监控与智能运维领域，于工厂运行状态的实时模拟及远程监控范畴，于生产线虚拟调试、机电软一体化复杂产品研发等层面，正以制造业创造极大价值。三一重工借助数字孪生技术联合售后服务系统，致使工程师平均响应时间由300分钟缩减成15分钟，一次性修复率自75%攀升至92%。海尔集团运用数字孪生技术达成了工厂的三维可视化，能够便利查看设备的产量、质量以及设备维护状况，及时进行故障排查。
众多制造企业纷纷投身建设柔性自动化产线，此产线能够实现多种变型产品的生产与装配，其中涉及各类智能装备，像工业机器人、无人引导小车等的集成应用。运用数字孪生技术，可在设备尚未安装之际就完成虚拟调试，还能针对客户开展远程培训。待虚拟调试通过之后，再于实际产线进行联调，如此一来便大幅度缩短了产线交付使用的时间。广汽集团乘用车项目运用虚拟调试技术，把现场调试时间从15天缩减至5天。
复杂医学手术开展之际，病灶数字孪生模型可被建立起来，凭借仿真确定出妥当的手术方案，医学专家能够远程对数字孪生模型实施实时操作，以此来指导现场医生完成手术。2019年7月17日，湖北武汉的华中科技大学协和医院叶哲伟教授团队，借助采集患者相关部位软硬组织的数字化信息构建数字孪生模型，指导了距离600公里外的恩施咸丰县人民医院的医生成功做完骨科手术。
在智慧城市建设进程里，借助数字孪生技术构建了整个城市建筑的数字孪生模型，还构建了各种地下管网的数字孪生模型，如此一来能够更高效地去管理城市，提升公共服务设施以及道路规划、排涝、防灾、垃圾处理还有新能源开发利用的能力，进而改善居民生活质量。
助力制造强国和数字中国建设
现今，人们于数字孪生技术仍存有一些含混认知。需明晰的是，数字孪生并非仅是几何形态方面的，更是物理形态层面的；并非仅是静态属性的，更是动态特性的；并非仅是关于对象的，更是关乎环境的、系统范畴的。数字孪生能够模拟人于实际问题里无法感知到的一些状况。诸如在车联网环境下，不可以仅牵涉汽车的机械构造及其移动相关问题，还得考量无线通信、传感装置、道路状况等繁杂环境。数字孪生也并非仅仅针对产品而言，还针对产品的使用者。依旧以自动驾驶作为例子，除了车辆的数字孪生模型之外，依旧需要去建设驾驶者数字孪生模型，以此在困难状况之下依据特定的驾驶者行为反应，进而再去调整驾车效果。
总之，数字孪生体，并非只是物理实体的镜像，更关键的是要达成跟物理实体于全生命周期的共生。要是仅仅构建了数字化样机，却未做到数字模型与其物理对象之间的交互，或者未实现共生，那就不能称作数字孪生。要是想释放数字孪生的价值，整合数字孪生生态系统里的所有数据和模型是十分必要的。把构建数字孪生所涉及的多个领域的技术问题，像构建模型、数据传递、服务接口、连接识别、部署机制等罗列出来，只有形成健全的生态系统，产业链上下游展开协同合作，才能够达成数字孪生体与物理实体的“共生” 。
当下，正处在一个借助信息化技术促使产业发生变革的时期？数字孪生汇总各类新兴技术，把数字世界跟物理世界相融合，给工业设备等赐予完整的生命周期数据？正渐渐变成智能制造一类行业的关键应用趋向？还成了数字化转型的基础设施？数字孪生技术推进着技术创新以及产业革新？推进更具智能、更显绿色、更具安全的可持续发展？它还将会在于我国去建设制造强国以及数字中国的进程里起到重要作用 。
分别是中国工程院院士，中国人工智能学会智能制造专业委员会副主任，这两人是作者 。
推荐读物：
《智能制造概论》：李培根、高亮编著；清华大学出版社出版。
梁乃明编制，方志刚加入编制，李荣跃也参与编制，高岩松同样参与编制，他们共同编著了《数字孪生实战：基于模型的数字化企业(MBE)》，这本书由机械工业出版社出版。
有一本书名为《数字基建：通向数字孪生世界的迁徙之路》，它是由安筱鹏、肖利华编著而成的，而其出版事宜则是由电子工业出版社负责完成的。
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