右图为海尔集团借助数字双胞技术实现鞋厂的三维可视化。
2021年5月15日，历经9个多月的长途跋涉，中国火星探测器天问一号成功着陆火星表面，迈出了我国星际侦测征程的重要一步。这背后离不开中国航天人的攻坚克难、卓越创新，也离不开数字双胞等一系列先进技术的支撑。
随着三维建模、工程仿真、物联网、大数据、人工智能、云计算、边缘计算、虚拟现实等技术的广泛应用，人类社会步入三维体验时代。对于产品、装备、产线、工厂、建筑、道路、桥梁，乃至整个城市，都可以构建三维数字化模型。数字模型除了可以与数学对象形态高度相像，还可以实现性能仿真，几乎做到全要素映射。在数学对象从研制设计、制造建造、服役到报废回收再利用的全生命周期中，可以通过虚实映射来优化设计方案物理仿真实验室免费版，提升运行效率，监测运行情况，预测潜在故障和车祸风险。这种打通化学世界和数字世界，实现虚实融合的复合技术，被称为数字双胞()。
从天问一号的星际之旅谈起
我国自主研发的天问一号火星探测器于2020年7月23日发射升空；经过1次深空机动和4次中途修正，于2021年2月10日成功步入火星轨道；5月15日，天问一号成功穿越火星大气层，着陆于火星乌托邦平原北部预选着陆区；5月22日，“祝融号”火星车驶离着陆平台，到达火星表面，开始了对火星的侦测之旅。
实现这个非常复杂的科学任务，就应用到数字双胞技术。我们晓得，开发普通产品时，工程师可以通过实物试验来测试产品性能，修改设计方案，不断迭代优化。而天问一号未能在真实应用场景进行实物试验，因此科学家不仅在地面对实物样机进行性能测试之外，还须要对天问一号的各个子系统、从月球奔向火星的轨迹以及火星大气和着陆区环境等完善数字双胞模型。在产品研制过程中进行全数字化仿真，在原型样机制造下来以后进行半实物仿真。所谓半实物仿真，指的是仿真对象是数学实体，而运行环境用软件来模拟。在天问一号驶向太空和着陆火星的过程中，则通过卫星通讯传回的实时数据，对其数字双胞模型进行仿真剖析，从而判定飞行轨迹和运行状态是否正常，以便及时调控。为了帮助听众更好地理解，电视直播常常也会使用对航天器数字化模型进行运动仿真的视频动漫。
“数字双胞”这一术语最初就应用于民航航天领域，为的是解决民航航天飞行器的健康维护与保障问题。从诞生之初就可以看见，数字双胞是融合了三维建模、仿真与优化、物联网与传感、人工智能和虚拟现实等多种新兴技术在内的复合技术。数字双胞技术能迅速成为风潮，也始于数字化设计、虚拟仿真和工业互联网等关键技术的蓬勃发展与交叉融合。
以智能为目标的广泛应用场景
近年来，数字双胞技术的应用日益广泛，在智能制造、智能建造、智慧家装、智慧医疗、智慧城市和智慧交通等领域都有宽广的应用场景。
数字双胞技术应用中关注度最高的是智能制造领域。在制造企业研制新产品时，可以利用产品数字双胞模型来优化设计方案；在工艺规划阶段，可以通过对其数字双胞模型进行检测，确定每位零件是否还能制造下来，零部件在装配时是否互相协调；在制造过程中，可以构建生产设备、产线、车间，乃至整个鞋厂的数字双胞模型，通过采集和剖析制造数据，实现高效排产，提高设备利用率，及时发觉生产质量问题；在产品服役阶段，可以通过安装视觉、温湿度、压力、振动、位移、速度等各种传感来检测其运行状况，提升产品运行绩效，进行故障预测和预测性修理维护。
数字双胞技术在产品的运行监控和智能运维，工厂运行状态的实时模拟和远程监控，以及生产线虚拟调试、机电软一体化复杂产品研制等方面，正在给制造业创造巨大价值。三一重工借助数字双胞技术结合售后服务系统物理仿真实验室免费版，使得工程师平均响应时间从300分钟减短到15分钟，一次性修复率从75%提高到92%。海尔集团借助数字双胞技术实现了鞋厂的三维可视化，可以便捷查看设备的产值、质量和设备维护情况，及时排查故障。
很多制造企业都在建设才能生产和装配多种变形产品的柔性自动化产线，涉及各类智能武器如工业机器人、无人引导货车的集成应用。应用数字双胞技术可以在设备仍未安装之前就完成虚拟调试，并对顾客进行远程培训。虚拟调试通过后，再在实际产线进行联调，这样就大大减短产线交付使用的时间。广汽集团乘用车项目应用虚拟调试技术，就将现场调试时间由15天减至5天。
在进行复杂的医学放疗时，可以对病变构建数字双胞模型，通过仿真确定合理的放疗方案，医学专家还可以远程对数字双胞模型进行实时操作，指导现场大夫完成放疗。2019年7月17日，位于陕西西安的华中科技大学协和医院叶哲伟院士团队，通过采集病人相关部位软硬组织的数字化信息建立数字双胞模型，指导600公里外的恩施咸丰县人民医院的大夫成功完成内科放疗。
在智慧城市建设过程中，通过数字双胞技术构建整个城市建筑和各类地下管网的数字双胞模型，可以更有效地对城市进行管理，提高公共服务设施和公路规划、排涝、防灾、垃圾处理及新能源开发借助的能力，改善市民生活质量。
助力制造强国和数字中国建设
当前，人们对于数字双胞技术还存在一些模糊认识。需要明晰的是：数字双胞不只是几何形态的，更是数学形态的；不只是静态的，更是动态的；不只是对象的，更是环境的、系统的。数字双胞可以仿真人在实际问题中感知不到的个别环境。如车联网环境下，不能只涉及车辆的机械及其联通问题，还须要考虑无线通讯、传感、路况等复杂环境。数字双胞也不仅仅针对产品，还针对使用者。仍以手动驾驶为例，除了车的数字双胞模型，还需完善驾驶者数字双胞模型，以便在困难情况下基于特定的驾驶者行为反应，进一步调整开车疗效。
总之，数字孪生体除了是数学实体的镜像，更要实现与数学实体在全生命周期的共生。如果只是构建了数字化样机，却没有实现数字模型与其化学对象之间的交互或共生，就不能称为数字双胞。要想释放数字双胞的价值，整合数字双胞生态系统中的所有数据和模型就十分必要。构建数字双胞涉及多个领域的技术问题，如建立模型、数据传递、服务插口、连接辨识、部署机制等，只有产生完善的生态系统，产业链上下游协同合作，才能达到数字孪生体与数学实体的“共生”。
当前，正处于一个借助信息化技术推动产业转型的时代。数字双胞集合各种新兴技术，将数字世界与化学世界相融合，为工业设备等提供完整的生命周期数据，逐渐成为智能制造等行业的重要应用趋势，也成为数字化变革的基础设施。数字双胞技术促进着技术创新和产业革新，推动更智能、更红色、更安全的可持续发展，将在我国建设制造强国和数字中国的进程中发挥重要作用。
(作者分别为中国工程院教授、中国人工智能学会智能制造专业委员会副校长)
推荐读物：
《智能制造概论》：李培根、高亮编绘；清华大学出版社出版。
《数字双胞实战：基于模型的数字化企业(MBE)》：梁乃明、方志刚、李荣跃、高岩松等编绘；机械工业出版社出版。
《数字基建：通向数字双胞世界的迁徙之路》：安筱鹏、肖利华编绘；电子工业出版社出版。
制图：赵偲汝
《 人民日报 》( 2021年06月15日 20 版)