图说报告 | “智能+”的终极版图:数字孪生世界

2019 年 8 月 20 日 人工智能学家
来源: 阿里研究院

数字孪生(Digital Twin)是近几年兴起的非常前沿的新技术,进入Gartner2019年十大战略技术趋势行列。今天,从300万个波音777零部件到人类心脏,其数字孪生体都可以复制。在未来的医疗领域,可以根据每个人制作3D心脏模型,医生在对病人开膛破肚之前,可以先在他的3D仿真心脏上“练练手”。


未来物理世界中的各种事物都将可以通过数字孪生技术复制,孪生世界将在物理世界和数字世界之间建立准实时联系,实现物理世界和数字世界的互联、互通、互操作。数字孪生将在各领域发挥巨大作用,极大地改变我们的工作和生活。



数字孪生,正在重塑制造业




数字孪生起源于工业领域。 面对快速变化的市场和竞争环境,传统的实体“试错法”已难以满足竞争的需要,基于数字仿真的“模拟择优法”应运而生。 它依托基于模型的产品定义(MBD)、全数字化样机、数字孪生体等一系列新技术、新理念,通过推动产品研发、验证、制造、服务业务在赛博空间的快速迭代,实现研发生产效率的大幅提升。


数字孪生以数字化方式拷贝一个物理对象,模拟对象在现实环境中的行为,对产品、制造过程乃至整个工厂进行虚拟仿真,从而提高制造企业产品研发、制造的生产效率。


与传统的产品设计不同,数字孪生技术在虚拟的三维空间里打造产品,可以轻松地修改部件和产品的每一处尺寸和装配关系,使得产品几何结构的验证工作、装配可行性的验证工作、流程的可实行性大为简化,可以大幅度减少迭代过程中的物理样机的制造次数、时间和成本。


据 Gartner 预测,到 2021 年,全球 50%的大型工业企业将使用数字孪生技术,效率提高达 10%。 尤其是制造业和工程行业的公司,如果想要在竞争中保持领先地位,就需要考虑将实施数字孪生技术纳入公司的智能发展战略中。


数字孪生的真正功能在于能够在物理世界和数字世界之间全面建立准实时联系,实现物理世界与数字世界互联、互通、互操作,构建虚拟世界对物理世界描述、诊断、预测、决策新体系,优化物理世界资源配置效率。


从具体实现路径来看,数字孪生首先对物理对象各类数据进行集成,是物理对象的忠实映射。 其次,数字孪生存在于物理对象的全生命周期,与其共同进化,并不断积累相关知识。 最后,数字孪生不仅对物理对象进行描述,而且能够基于模型优化物理对象,最终实现对物理世界的改造。


数字孪生世界,“智能+”的终极版图



数字孪生技术对物理世界的重建已经应用于许多领域。


波音777是世界首架无图纸、无模型、利用数字孪生设计的客机。 波音777的零部件多达300万个,设计过程中没有“一张图纸”,直接进行量产。 通过数字孪生技术,有效缩短研发周期40%,减少返工量50%。


在智慧城市的建设中,数字孪生提供了更多的可能性。 少数城市率先利用数字孪生技术进行智慧城市管理,杭州数字孪生城市已现雏形。 在杭州萧山区,通过阿里云 ET 城市大脑自动调配红绿灯,让 120 救护车到达现场时间缩短了一半,在分秒必争的急救路上,用技术为患者开出一条“绿色生命线”。 借助 ET 城市大脑的力量,杭州目前已经实现交通信号灯的智能配置,试点区域通行时间减少 15.3%。


达索公司的“跳动心脏”的项目,成功地捕捉到如何通过每股肌肉纤维来产生电力,以复制
出人类心脏的真实动作。 在准确地描绘整个物理过程后,模型就会自己建立起来。 亲眼看到 3D 版心脏的缺陷,有助于外科医生规划最佳手术方案。


随着传统的建模仿真技术与物联网、大数据、人工智能技术的进一步融合 , 数字孪生的价值和作用将会得到更大的体现,数字孪生将会在更多领域发挥更为重要的作用。


未来,无论在制造、医疗、建筑等领域都将在赛博世界探索建立起一套与物理空间实时联动的运行体系,实现对制造流程、建筑结构、医学实验、城市管理等方面资源优化配置。 基于“物理实体+数字孪生”的资源优化配置体系将成为数字化发展的终极模式。


过去几十年数据量的爆炸式增长,意味着物理世界的数字孪生不断完善。 未来,物理世界的数字镜像将从分时到实时、从宏观到微观不断完善,形成一个完整的数字孪生。 其作用从辅助人类进行物理世界的改造,进化到决定物理世界改造,甚至创造超越人类想象的新世界。



图说“智能技术”系列小结



智能技术的“核聚变”,推动“智能+”时代到来。平台的出现加速了智能技术核聚变普及应用的速度。未来的BAT一定来自于这场多技术叠加核聚变。同时,新一代信息技术驱动着万亿级产业集群的开启。





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数字孪生是一个虚拟模型,用于准确地反映物理对象。 所研究的对象(例如风力涡轮)会配备各种与重要功能领域相关的传感器。 这些传感器产生与物理对象不同方面的性能相关的数据,如能量输出、温度、天气条件等等。 然后,这些数据将转发到处理系统并应用于数字副本。
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