1.2.2　數(shù)字孿生近期的發(fā)展

美國(guó)國(guó)航局與Michael教授有長(zhǎng)期的合作關(guān)系，在航天器的設(shè)計(jì)研發(fā)以及后期運(yùn)營(yíng)中使用數(shù)字孿生技術(shù)可以極大地降低物理樣機(jī)的生產(chǎn)研發(fā)成本，在運(yùn)營(yíng)階段實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取、遠(yuǎn)程監(jiān)控，甚至可以做到航天器故障預(yù)測(cè)與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。這些優(yōu)勢(shì)讓數(shù)字孿生迅速成為美國(guó)國(guó)航局的關(guān)鍵技術(shù)。NASA在2010年的技術(shù)目標(biāo)中就明確提出了“數(shù)字孿生體2027計(jì)劃”，希望通過近20年的研發(fā)建立數(shù)字孿生體工程體系。

無(wú)獨(dú)有偶，數(shù)字孿生的諸多優(yōu)勢(shì)很快被美國(guó)空軍發(fā)掘，并在2013年發(fā)表了《全休地平線》，在這個(gè)規(guī)劃文件中美國(guó)空軍將數(shù)字線索和數(shù)字孿生共同視為“改變游戲規(guī)則”的顛覆性機(jī)遇。后來美國(guó)空軍與全球航空航天業(yè)的領(lǐng)袖公司——波音公司共同合作研發(fā)了F-15C數(shù)字孿生機(jī)體模型（見圖1-9），該模型配合了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的多維仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)體幾何模型、機(jī)體材料性能數(shù)據(jù)、飛行測(cè)試數(shù)據(jù)、檢查與維護(hù)數(shù)據(jù)、氣動(dòng)力模型數(shù)據(jù)、有限元模型、損害演變模型的多數(shù)據(jù)集成，達(dá)到了預(yù)測(cè)組件壽命的目的，為機(jī)體的結(jié)構(gòu)調(diào)整、維修和替換節(jié)約了人力、財(cái)力和時(shí)間成本。

圖1-9　F-15C數(shù)字孿生機(jī)體模型（來源于美空軍飛機(jī)數(shù)字孿生數(shù)據(jù)與工程集成）

2013年的漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上德國(guó)政府正式提出“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，其目的就是為了提高德國(guó)工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，在新一輪工業(yè)革命中占領(lǐng)先機(jī)。這個(gè)戰(zhàn)略提出后，德國(guó)眾多科研機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)企業(yè)都表示了認(rèn)同與支持，其中德國(guó)著名優(yōu)質(zhì)企業(yè)西門子公司率先將“工業(yè)4.0”概念引入工業(yè)軟件開發(fā)和生產(chǎn)控制系統(tǒng)中，并在2016年開始逐漸嘗試用數(shù)字孿生技術(shù)升級(jí)相關(guān)應(yīng)用。眾所周知，數(shù)字孿生是貫穿整個(gè)產(chǎn)品生命周期的，德國(guó)西門子在應(yīng)用中就利用數(shù)字孿生的這一特點(diǎn)仿真模擬了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)機(jī)器設(shè)計(jì)、產(chǎn)線設(shè)計(jì)、生產(chǎn)排期、制造執(zhí)行、后期維護(hù)等一系列工廠的實(shí)際操作，構(gòu)建了一整套數(shù)字化工業(yè)生產(chǎn)線。

美國(guó)通用電氣管理層也發(fā)現(xiàn)了“數(shù)字孿生”的潛力，經(jīng)過慎重思考與討論提出了通用電氣數(shù)字孿生解決方案項(xiàng)目。項(xiàng)目要求實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體與物理實(shí)體的結(jié)合，打造Predix云平臺(tái)，搭建實(shí)體機(jī)器以及其相關(guān)流程的虛擬數(shù)字孿生體，將工業(yè)生產(chǎn)中的相關(guān)資產(chǎn)、設(shè)備進(jìn)行建模、數(shù)據(jù)直連、控制和分析，最終實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。例如，當(dāng)發(fā)電廠的發(fā)電變壓器出現(xiàn)了一些狀況時(shí)，數(shù)字孿生系統(tǒng)可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)、相關(guān)算法模型演算推測(cè)出該狀況對(duì)未來發(fā)電廠性能的影響大小，并將該結(jié)果實(shí)時(shí)反饋給相關(guān)管理人員，以幫助其能更快地解決相關(guān)問題，減少意外狀況帶來的損失。正如通用電氣全球副總裁Colin Parris所說，數(shù)字孿生體就是利用人工智能算法專門為機(jī)器所構(gòu)建的數(shù)字復(fù)制品，并且賦予它像人類一樣觀察和行動(dòng)的能力。這種數(shù)字孿生體可以在很大程度上幫助人類解決機(jī)器維修的問題，改變企業(yè)的運(yùn)作方式，不管是對(duì)通用電氣還是其他工業(yè)界來說這都代表著新的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)，數(shù)字孿生必將成為新工業(yè)經(jīng)濟(jì)的重要支柱。

與美國(guó)、德國(guó)等工業(yè)大國(guó)相比，數(shù)字孿生在中國(guó)的關(guān)注與研究起步相對(duì)較晚。從2016年才開始有學(xué)術(shù)界、企業(yè)界、政府機(jī)構(gòu)的相關(guān)專家、學(xué)者發(fā)表數(shù)字孿生相關(guān)的文獻(xiàn)，到2018年達(dá)到一定規(guī)模，如圖1-10所示。其中，高校及科研院所是數(shù)字孿生理論研究的主力機(jī)構(gòu)，企業(yè)是將數(shù)字孿生技術(shù)付諸實(shí)現(xiàn)的研發(fā)方，政府部門在數(shù)字孿生相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究、技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用實(shí)踐環(huán)節(jié)中開展了大量的工作，為數(shù)字孿生技術(shù)在中國(guó)的迅速發(fā)展起到了重要作用。天津卓朗科技也開展了數(shù)字孿生的計(jì)劃，希望使用人工智能、3D可視化、大數(shù)據(jù)等技術(shù)打通數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)行的數(shù)據(jù)閉環(huán)。

目前，數(shù)字孿生不僅僅局限于工業(yè)或制造業(yè)，更多開始在智慧數(shù)據(jù)中心、智慧城市、智慧交通領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，并且在不斷地完善形態(tài)和觀念。

圖1-10　數(shù)字孿生相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表量統(tǒng)計(jì)