隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及人工智能等新一代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是5G技術(shù)的興起，對于各個行業(yè)的數(shù)字化、智能化起到很大的推動作用，同時也對制造和仿真提出了更高的要求。在這個環(huán)境下，作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的關(guān)鍵技術(shù)之一的數(shù)字孿生技術(shù)便脫穎而出，成為了構(gòu)建智慧城市、智慧交通的重要技術(shù)。下面就讓小編帶大家了解一下數(shù)字孿生技術(shù)及其在工程生產(chǎn)中的應(yīng)用！
01、什么是數(shù)字孿生
數(shù)字孿生（Digital Twin）是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。
02、數(shù)字孿生技術(shù)的核心推動趨勢
伴隨著新一代信息與通信技術(shù)的成熟，數(shù)字孿生技術(shù)也在不斷地發(fā)生著變化。下面就來介紹一下數(shù)字孿生技術(shù)的幾個核心推動趨勢。
1.數(shù)據(jù)采集和交互變得更加簡單和便宜
傳感設(shè)備種類的豐富以及價格的下降，使得在不同場景中實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的前置成本明顯下降。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，也降低了多種傳感器數(shù)據(jù)交互的成本和技術(shù)門檻。
2.數(shù)據(jù)處理能力的不斷提升
云計算的迅速發(fā)展，能夠滿足數(shù)字孿生應(yīng)用所需的海量數(shù)據(jù)存儲和分析能力。邊緣計算的普及，可以進一步提高數(shù)據(jù)處理分析的實時性。以計算機學(xué)習(xí)為代表的新一代數(shù)據(jù)分析技術(shù)，也側(cè)面推動了數(shù)字孿生的發(fā)展，為生產(chǎn)運維等多種場景提供準(zhǔn)確、智能的預(yù)測。
3.豐富多元的人機交互方式
增強現(xiàn)實、語音識別、虛擬助手等技術(shù)的成熟，為數(shù)字孿生技術(shù)帶來了多元化的展示和交互方式，使得協(xié)同設(shè)計、遠(yuǎn)程維修等場景能夠更好的與數(shù)字孿生相結(jié)合，推動全新管理和協(xié)作模式的發(fā)展。
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在對數(shù)字孿生技術(shù)進行了解之后，讓我們來看看數(shù)字孿生技術(shù)有哪些具體的應(yīng)用吧！
城市抗洪搶險
由于極端天氣的發(fā)生和人口的增長，使世界各地城市中本不完備的現(xiàn)有排水基礎(chǔ)設(shè)施更加不堪重負(fù)，由此導(dǎo)致的洪澇災(zāi)害不僅會造成財產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施損失，還會影響人身安全，阻礙經(jīng)濟發(fā)展。
為了應(yīng)對洪澇災(zāi)害的威脅，各城市正在努力通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的規(guī)劃、開發(fā)和運營來提高抗洪能力。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，一些城市通過使用數(shù)字孿生技術(shù)來提高當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施的適應(yīng)力，從而支持持續(xù)發(fā)展和未來規(guī)劃。
要創(chuàng)建數(shù)字孿生模型提高洪災(zāi)適應(yīng)力，需要將城市級別的實景建模、三維測繪和洪災(zāi)建模集成到一起。得出的洪災(zāi)適應(yīng)力模型可用于分析、模擬、可視化和信息交流。那么具體要怎樣建立洪災(zāi)適應(yīng)力模型呢？
首先，使用實景建模和三維測繪軟件，借助無人機拍攝的重疊影像和地面影像，輔以必要的激光掃描，可以生成高分辨率的城市級別三維實景模型。實景模型/格網(wǎng)信息按空間進行了分類，這意味著網(wǎng)格化城市景觀中的各個建筑物、地塊和其他要素是與地表適用的GIS數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)在一起的。這也就生成了原始的工程級別實景模型，該模型具有足夠的分辨率和可擴展性，可以放大某個區(qū)域并脫離網(wǎng)格直接執(zhí)行工程工作。關(guān)鍵的一點是，這一實景模型包括數(shù)字地形數(shù)據(jù)，這是所有水文模擬的基礎(chǔ)。
其次，通過為相關(guān)區(qū)域（無論是整座城市還是其中的一小部分）設(shè)置計算網(wǎng)格，可以創(chuàng)建洪災(zāi)適應(yīng)力模型。
然后，使用洪災(zāi)模擬所用的數(shù)據(jù)填充此計算網(wǎng)格。數(shù)字地形數(shù)據(jù)可以從實景模型中直接獲取，為洪災(zāi)建模軟件提供精確的地表數(shù)據(jù)，并為查看洪災(zāi)模擬提供實景環(huán)境。實景模型還可用于識別街道、人行道、綠地、樹木和洪災(zāi)適應(yīng)力模型所需的其他信息。洪災(zāi)軟件使用數(shù)字模型來模擬一系列的水力和水文過程，包括降雨、滲入、地表徑流、渠道流量和地下水流量。
立交橋建設(shè)
這里以鹽港東立交工程為例，來說明數(shù)字孿生在立交橋建設(shè)方面的應(yīng)用。
鹽港東立交工程地處深圳市東部鹽田區(qū)，為多路交匯所形成的大型樞紐立交工程，主要銜接鹽壩高速、鹽龍大道、坪鹽通道及進港路四條高快速路。
項目首次在交通工程領(lǐng)域使用Bentley iTwin技術(shù)，為道路設(shè)計和運營創(chuàng)建數(shù)字孿生模型。項目團隊使用Bentley開放式建模和模擬應(yīng)用程序，整合大量數(shù)據(jù)以支持先進的多專業(yè)BIM工作流，包括實景模型、攝影測量、巖土工程、現(xiàn)場信息、道路平整、交通監(jiān)控和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。通過利用ProjectWise協(xié)同平臺，多專業(yè)團隊可以在設(shè)計和施工期間共享和交換模型及信息。
利用數(shù)字孿生模型，項目團隊可以分析封路對交通和周邊環(huán)境的影響，進而降低施工過程中對交通的影響，減少對周邊環(huán)境的破壞。此外，基于iTwin技術(shù)，結(jié)合增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)，可以分析風(fēng)險因素和驗證施工方案的可行性。同時，可精確定位已有市政管線的空間位置，避免施工時對已有設(shè)施造成破壞。
借助Bentley的數(shù)字孿生解決方案，深圳高速工程顧問有限公司預(yù)計總體提升溝通效率15％以上，并顯著提高設(shè)計效率。項目完成后，公司將繼續(xù)利用數(shù)字孿生模型提升運營和維護，為將來的項目奠定基礎(chǔ)。
航空器制造
航空發(fā)動機已經(jīng)成為人類有史以來最復(fù)雜最精密的工業(yè)產(chǎn)品，每臺零件數(shù)量達萬件以上。航空發(fā)動機雖然只是飛行器的一個分系統(tǒng)，但其所涉及的學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域幾乎與整個飛行器相同，在許多技術(shù)上的要求甚至更高，可以說是集成了各個技術(shù)領(lǐng)域的尖端技術(shù)，是典型的知識、技術(shù)密集的高科技產(chǎn)品。作為全球三大航空發(fā)動機生產(chǎn)商之一，美國GE公司為了提高其核心競爭力和加強市場主導(dǎo)地位，在其航空發(fā)動機全生命期過程引入了增材制造和數(shù)字孿生等先進技術(shù)，這是促使GE公司向一家數(shù)字化工業(yè)公司演變的成功關(guān)鍵之一。
增材制造作為數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)的典型應(yīng)用帶給GE公司的優(yōu)勢有以下三點：
1.零部件的輕量化。
2.通過產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化和免組裝的整體式制造來提升航空發(fā)動機零部件的性能。例如，Catalyst渦槳發(fā)動機將855個零件通過增材制造技術(shù)組合成12個零件，減重5%；與同級別的發(fā)動機相比，Catalyst渦槳發(fā)動機的燃油消耗降低20%,巡航功率增加10%,大修間隔為4,000小時，比競爭對手多出33%。
3.整體設(shè)計一體打印成形，使得零部件數(shù)量大幅度減少，進而大幅度簡化研發(fā)組織、供應(yīng)鏈管理和維保服務(wù)。
圖1
圖2
以CT7渦軸/渦槳發(fā)動機改進型的燃燒室中框架單元體為例（圖1、圖2），采用增材制造一體化工藝后，原來的七個組件及其300個零件最終組合成一個零組件。除了減重十余磅，研發(fā)團隊規(guī)模減少了一個數(shù)量級，供應(yīng)商數(shù)量由50多降為一個，技術(shù)服務(wù)中心由五個降為一個。整體化設(shè)計同時減少了裝配過程，提高了性能和可靠性。減重則意味著全壽命周期使用成本的降低，數(shù)據(jù)系統(tǒng)的減少也減輕了IT系統(tǒng)的難度和負(fù)荷。這些特性使GE航空發(fā)動機產(chǎn)業(yè)數(shù)字孿生體的疊加效應(yīng)放大許多倍。
結(jié)語
在科幻的世界中，人類終有一天會將自己的意識上傳到數(shù)字世界，實現(xiàn)“永恒”。而在更實際的未來世界中，我們可以應(yīng)用數(shù)字孿生的概念，將各個物理產(chǎn)品實體內(nèi)包含的全部信息進行數(shù)字化、關(guān)聯(lián)化，從它的設(shè)計方案、加工過程、運行狀態(tài)等信息內(nèi)，發(fā)掘信息內(nèi)深藏著的價值。在小編看來，這些物理實體的數(shù)字孿生，將是未來物聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)之一，也將對工業(yè)制造業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生革命性的影響。
