2024年5月22日
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XR交互 数字孪生

数字孪生:跨行应用的当前与未来

数字孪生这一概念可以追溯到20世纪90年代。然而AI、机器学习和预测分析等新技术的出现扩展了数字孪生的使用范围,使其超出了最初预期在制造和引擎设计的用途范畴。

如今,它正在各行各业以各种形式迅速扩张,使公司能够以更准确和更有远见的方式进行预测和创造。它甚至可能是元宇宙成功的关键。

前方道路还很长

数字孪生这一概念可以追溯到20世纪90年代之前,早在20世纪60年代,美国国家航空航天局(NASA)就使用航天器的实物复制品进行了模拟。直到1991年,数字孪生概念才在大卫·格勒恩特尔的《镜像世界》一书中被首次讨论。
此后,迈克尔·格里夫斯和密歇根大学花了10年时间,才将数字孪生的概念应用到制造业中,并于2002年推出了数字孪生软件。在2018年十大战略技术趋势报告中,Gartner预测,数字孪生将很快拥有数十亿的体量,将可能在维护维修和运营(MRO)方面节省数十亿美元,并优化物联网资产性能。

什么是数字孪生?

数字孪生指的是一种跨越生命周期的物理对象、产品、服务或系统的虚拟表示,通过使用实时数据更新,并通过使用模拟、机器学习和推理帮助决策。随着Web3和Metaverse的出现,数字孪生的使用已经扩展到包括建筑、工厂、城市、人员和流程等领域,并进一步延展了“数字孪生”这一概念。

根据埃森哲的《2022年技术趋势报告》,全球数字孪生的市场的价值在2020年为32.1亿美元,预计到2030年将增长到1845亿美元。埃森哲还预测,企业将利用数字孪生,以完全不同的创新方式来发明产品、设计体验和经营业务。

IBM将数字孪生的概念划分为四种类型,每一种都基于产品放大的复制品的级别:

1. 组件孪生/部件孪生,是数字孪生的基本单位。组件孪生是功能组件的最小示例。部件孪生与组件孪生相似,但属于不那么重要的组件。

2. 资产孪生:它们允许组织研究两个或多个组件的相互作用,创建可以处理并转化为可操作视域的性能数据。

3. 系统或单元孪生:这使公司能够在可视化的情况下,考虑不同的资产如何组合在一起,形成一个完整的功能系统,并提供关于资产交互的可见性。

4. 过程孪生:这一宏观层次使组织能够看到系统如何一起工作,以创建一个完整的生产设施,并可以帮助确定影响整体效率的精确时间表。

应用拓展的可能性

数字孪生的应用正在不断扩大。

“今年,我们注意到韦尔滑雪场使用了数字孪生技术来监测实时天气状况、降雪、优化雪枪的位置,这一举措可以提高滑雪条件的可靠性和可预测性,”埃森哲技术愿景董事总经理迈克尔·比尔茨(Michael Biltz)说。“鹿特丹港(Port of Rotterdam)港口也已建立了一个数字孪生系统,该系统可以跟踪船舶和集装箱的移动,并用于优化运营。”

如今,许多平台让组织能够设计和创建数字孪生。例如,微软Azure Digital Twins是一个物联网(IoT)平台,能够创建真实事物、场所、业务流程和人员的数字呈现,包括建筑、工厂、农场、能源网络、铁路、体育场,甚至整个城市。

NVIDIA的Omniverse促进了3D设计、数字孪生的创建以及多应用程序、多用户模拟开发的协作。NVIDIA将Omniverse描述为“一个可轻松扩展的3D设计协作平台,以及可扩展的多GPU、实时、逼真模拟平台。”该平台让组织能够创建对象、流程或环境的精确虚拟副本,然后与人工智能支持的真实数据持续同步。

“数字孪生为企业中的应用程序、系统或对象提供了一个增强的虚拟、实时和人工智能驱动的模型,因此,在效率、改进、产品开发、市场进入和客户参与方面具有巨大的潜力”,Anonos的首席执行官兼总法律顾问加里·拉弗说。

数字孪生的现实应用

食品和药物管理局等在内的许多机构已经在使用数字孪生技术, LaFever.说:“NTT去年为环法自行车赛(Tour de France)和活心脏项目(Living Heart Project)建立了一个数字孪生,达索Systèmes和美国食品药品监督管理局(FDA)正在利用数字孪生技术革新心血管科学。诸如此类的例子还有很多,我们可以期待数字孪生项目呈指数级增长。”

另一个例子来自于数字孪生服务提供商UrsaLeoa,它与Active Building Centre和英国政府合作开展了一个脱碳和能源优化项目。通过使用场地和建筑的数字孪生,他们能够实时测量正在发生的事情(即温度、湿度、能源消耗),由此可以更好地做出决定。例如,灯光和温度可以配置为根据一天中的时间或人们在场的时间自动减少使用。数字孪生能够连接到太阳能电池板、热泵、管道系统和其他系统,以优化能源使用和减少温室气体。

数字孪生与元宇宙

数字孪生引擎的一个通用例子是,引擎配备了与不同功能领域相关的传感器。传感器生成有关发动机性能和状态的数据后,数据将被传递至一个处理系统,并应用于发动机的“孪生模型”。一旦使用传感器数据通知虚拟模型,就可以进行非常精确的模拟,来研究其中的不足或问题,并生成应用于物理引擎的潜在解决方案或行动。

运行精确模拟的能力扩展到元宇宙后,可以应用于与虚拟用户的交互。比尔茨说:“最终,元宇宙是将不同的世界连接在一起,而数字孪生则可能代表世界本身(或世界的一部分)。”

“想象一下,你有一个在港口或制造厂工作的人。他们想要监控一台机器,订购新的零件或材料,然后去和同事讨论下一个项目。如今,这些交互作用分布在十几个不同的系统中。有了数字孪生,其中一些互动可以进一步整合成一个点,但仍然是孤立的。有了元宇宙,人们可以无缝地进行所有这些互动,然后跳转到另一个世界,并参与其中,”比尔茨说。

数字孪生是元宇宙的核心元素,因为它们以数字方式代表物理世界,使用户能够与来自任何位置的人、地点和事物的数字版本进行交互。“元宇宙的吸引力在于将现实世界的环境带入虚拟系统。虚拟机、系统和基础设施之间的交互必须在外观和功能上是真实的,而做到这一点的最佳方法是使用数字孪生对这些组件建模,”Perforce Software版本控制CTO Brad Hart说。“如今用于构建现代数字孪生的游戏引擎内置了物理模拟/逻辑,可以准确地模拟现实世界的副本,这是元宇宙成功的关键。”


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