開車的人都怕遇到這種情況:車輛在野外突然拋錨,自己不會修,附近也沒維修店。如果這輛車配有一個數字孿生系統,與它一同運轉,實時顯示車輛各部分運行狀況,提前告知可能會出現的故障以進行維護,那么就能減少車輛意外拋錨情況的發生。

這項功能被稱為“預測性維護”,是數字孿生技術的重要優勢。數字孿生是指物理空間中的對象在虛擬空間中的數字模型,該模型通過傳感器隨時獲取真實物體的數據,并隨之一起演變、成熟甚至衰老。利用該模型,人們可以對物理對象進行分析、預測、診斷或者訓練,從而優化和決策。這個數字模型就像是真實物體的孿生兄弟,因而得名。小到一顆螺絲釘,大到一座城市,物理世界中的各種事物均可擁有數字孿生模型。

數字孿生并不是全新技術,而是建模仿真技術在制造領域的新發展之一。與一般的建模仿真相比,數字孿生的模型是數字化、動態的,數字模型與其物理對象始終保持一致。數字孿生這一術語最早應用于航空航天領域,即用數字孿生模擬飛行器執行任務前的虛擬飛行,從而對各項參數進行分析和優化。此后,數字孿生越來越受到工業界和學術界的關注。

目前,數字孿生技術主要應用于工業領域。在虛擬空間構建產品的數字孿生模型,完成產品設計、工藝優化,甚至模擬工廠布局,實現資源調配、智能化生產,顯著提高生產效率。德國西門子公司推出了較為完整的企業數字孿生體系,用數字孿生技術打造虛擬車間、數字工廠。美國通用公司在其工業互聯網平臺Predix上利用數字孿生技術,對飛機發動機進行實時監控、故障檢測和預測性維護。美國特斯拉公司為其生產的車輛配備了數字孿生模型,通過傳感器接收數據、實時更新程序。據估計,到2021年,全球50%的大型工業企業將使用數字孿生技術,效率將提高10%。

數字孿生將是數字化轉型的重要內容。結合物聯網、5G、大數據、云計算、虛擬現實等技術,數字孿生的應用空間正不斷擴展。數字孿生技術可以給醫療保健和病人護理帶來革命性變化。患者穿戴上傳感器,由人工智能進行實時監測的數字孿生模型就隨之生成,其體征變化會如實反映在模型上。醫生可時刻監測病情進展,第一時間發現問題,并在數字孿生模型上進行試驗,以獲得最佳治療方案。數字孿生技術還可以大大縮短新藥從開發到上市的時間。此外,城市管理、智慧農業、教育培訓等都將是數字孿生技術的重要應用領域。

不過,數字孿生技術的發展也面臨許多挑戰。其中最主要的是保證所建立數字模型的可信性。建立一個高質量的數字模型,并使其能夠最大程度反映物理對象的特性,這一工作仍任重道遠。目前,數字孿生在很多場景還只能作為決策輔助或參考。

(張 霖 作者為北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院教授、國際建模仿真學會前主席)