Archive for 数字孪生体

数字孪生体与元宇宙属于物理和精神两个世界

      数字孪生体(Digital Twin)与元宇宙(Metaverse)属于两个世界的概念,前者聚焦物理世界的问题,后者面向的是精神世界的感受,因此,从较为严格的范畴来看,它们有本质上的不同。

      需要指出的是,两个概念虽然不同,但它们确实属于数字化范畴,都是数字孪生体、人工智能、数据科学和物联网等新一代数字技术应用下的产物。

      在《数字孪生国防白皮书(2021)》中,工业4.0研究院做了以下表格,对比了互联网、数字孪生体和元宇宙三者之间的关键技术和典型应用情况。

通信世界 物理世界 精神世界
数字化 互联网 数字孪生体 虚拟现实/元宇宙
关键技术 TCP/IP协议、数据交换机、高速通信网络 数字孪生化、数字线程、数字孪生体平台 虚拟现实设备、虚拟现实设计
价值 低成本的通信 不断迭代改进 感官体验更佳
典型应用 电子商务、在线旅游、移动支付、在线游戏等 数字孪生工厂、数字孪生城市、数字孪生战场等 VR游戏、VR应用

      过去20年,人类社会受到数字化的冲击,对多个领域带来了根本的改变。

      通信世界数字化的结果是互联网,物理世界的数字化则为数字孪生体,精神世界的数字化呈现为虚拟现实或元宇宙。

      对于大家关注的数字孪生体和元宇宙来讲,它们的数字化本质不同,因此价值呈现迥然不同。

      数字孪生体来自对物理世界数字化探索的新概念体系,它为物理世界的各种物体建立数字孪生模型,以便人们利用计算机技术去分析,从而把“分析测试”前置到“生产制造”之前,这对传统的物理世界的改造模式是一次革命。

      虚拟现实最早应用在军事训练中,然后向人们生活中渗透,最近几年形成了“元宇宙”概念,它本质上是为了满足更好的感官体验需求。

      根据以上分析,数字孪生体主要解决物体之间交互问题,元宇宙则努力解决人在体系中的认知和感知挑战。

      因此,数字孪生体努力消除人的参与带来的不确定性,元宇宙则尽量降低人参与复杂系统的认识难度,前者可以用工业4.0研究院提出的数字孪生模型可信度增长来实现,后者则体现为更好的可视化和人机交互界面。

      不管怎样,人有人的用处,物有物的价值。

 

      作者:王明芬,工业4.0研究院副院长

 

胡权:再谈数字孪生体三大流派

      早在2019年,笔者就提出数字孪生体分为三大流派,分别为仿真派、连接派和数据派。这个结论在后续出版的图书及承接军委项目中得到进一步的阐述。

      在2020年出版的《数字孪生体:第四次工业革命的通用目的技术》中,对数字孪生体三大流派的特点,结合到数字孪生体关键技术做了分析;进一步在承接军委装备数字化的研究中,对如何开展数字孪生装备工作做了详细的分析。

      最近一段时间,不少行业人士谈及数字孪生体产业发展情况时,仍然有不少困惑,其中最突出的就是数字孪生体应用的价值问题,他们大都反馈,企业不认同现在提供的数字孪生体解决方案。

特征 仿真派 连接派 数据派
价值诉求 实现高精度的仿真 实现网络连接和资产管理 实现数据反馈的机制
优势 能够实现对物理系统的高保真描述 能够实现大面积的物体管理 能够实现数据驱动的分析,灵活度高
技术流程 在仿真基础上,通过选择控制点,建立联合仿真分析,提出质量管理优化的解决方案 • 对物理设备或系统建立数字孪生模型

• 对采集的数据进行分析

• 在分析基础上,提出维修保障等质量管理建议

• 建立物理系统或传感器的数字孪生模型

• 对比物理和数字(或虚拟)传感器的数据,建立反馈

• 通过不断反馈的闭环,让物理和数字传感器特性同步

挑战 计算量大,成本高 对目标对象描述精度不够 对目标对象仿真不足
发展方向 多学科设计分析和优化 资产性能管理 动态数据驱动应用系统
示例 Phoenix Integration的ModelCenter GE的Predix提供资产性能管理 美国空军研究实验室的无人系统和DARPA的X-DATA

来源:军委资助研究项目

      事实并非如此,我国数字孪生体产业发展出现这样的状况,跟我国过去40年外生创新的习惯有关系。

      所谓外生创新,它指的是来自客户需求的创新,诸如不少企业提供的可视化解决方案,就是外生创新;与之对应,还有内生创新,即来自技术本身的突破带来的创新应用,我国几乎没有这样的应用,因为国内企业大都不重视理论研究。

      我国科研体制有一定局限,从高校及科研机构的资金来源来看,大都受制于科技部、教育部等评价体制的要求,如果这些评价体制内的评审专家不理解,不认同,那么新型的概念及技术就没有了支持来源。数字孪生体就遇到了这样的困境。

      即便有部分资金支持,但国内学术界追求各种因子,以及各种难以明说的原因,也难以支持一个有多方争议的技术,更何况不少功成名就的院士已经对数字孪生体下了结论:数字孪生体不就是仿真嘛。

      为了描述各界人士对数字孪生体的认识,笔者设计了三种视角的数字孪生体流派,这三种流派各自有自己的核心价值观,同时也有自己的核心商业述求,能够代表行业人士对该概念体系的基本认识。由于《数字孪生体》一书有详细论述,本文不做分析讨论。

      对于笔者在各种场合提到的数字孪生体应用典型案例,例如特斯拉、苹果等,由于缺乏所谓来自美国的公开资料,一些行业人士选择不相信。之所以出现这些行业人士不相信特斯拉及苹果采用了数字孪生技术,是因为这些公司都没有公开表示自己采用了数字孪生体。

      笔者认为,这本质上是研究方法的认同问题,一些做实际工作的人士,通常是眼见为实,对于看不到的东西,自然会怀疑,或者他们希望笔者提供完备的证据,但考虑到国内常见的抄袭作风,还是不与其争论为好。

      时间会证明一切。

 

      作者:胡权,工业4.0研究院院长,数字孪生体联盟理事长

 

谈谈数字孪生体领域的美国工程院院士

      一直以来,国内行业人士对数字孪生体(Digital Twin)概念的独立性存在怀疑。

      笔者采用“锚定效应”对此做了分析,指出国内大部分专家因对自身背景知识非常熟悉,产生了“认知偏差”,难以接受新概念体系。

      这种问题在美国不存在。

美国工程院

      美国拥有有四大国家学术院,包括:美国国家科学院、美国国家工程院、美国国家医学院和美国国家科学研究委员会。

      在美国国家科学院和美国国家工程院,都有不少数字孪生体专家,他们在数字孪生体科学方面做出了杰出的成果。

      笔者乐观的预测,这些数字孪生体专家将来有可能获得诺贝尔奖。

      我国高校体系及国家院体系,除少数高校有部分教师在开展范围较小的研究,暂无主攻数字孪生体科学或工程的专家,更谈不上院士的参与并作出研究成果。

      作为“引领第四次工业革命”的独立研究机构,工业4.0研究院利用行业人士认知偏差带来的发展机会,加快构建“数字孪生体科学”,在一些方面已经取得了成绩。

      考虑国内学术环境欠佳,不少学者和专家缺乏引用的习惯,暂时不公布相关成果。

      遵循“互补战略”的要求,这个话题不能谈更多了。

 

2022年度数字孪生体挑战赛启动报名了

      数字孪生体时代到来了,工业4.0研究院通过主办数字孪生体挑战赛,加强数字孪生技术的应用深度,目前已经举办了三届比赛,2022年举办第四届数字孪生体挑战赛。

      经2个月的详细研究及沟通筹备,第四届数字孪生体挑战赛(Digital Twin Challenge 2022)确定“基于数字孪生体的第五代飞机效能评估”的主题,通过学习提升、方法设计和研发验证三阶段赛程,推进数字孪生技术在航空业的应用。

第一阶段 第二阶段 第三阶段
时间 6-8月 9-11月 12月
任务 学习提升 方法设计 研发验证
内容 (1)航空航天概论

(2)飞机总体设计

E=C*S*A*D

赛道一:作战能力评估

赛道二:ASIP

把第二阶段设计开发的成果用软件实现,放到数字孪生靶场来验证评价
交付物 F-35战斗机总体设计报告 设计一套飞机效能评估方法 通过数字孪生靶场验证设计的飞机效能评估方法
奖金 通过评审的个人或团队均可获得5000元奖金 通过评审的个人或团队均可获得1万元奖金 通过数字孪生靶场验证的项目团队将获得10万元奖金

      经DTC 2022组委会决议,即日开启报名工作。

      DTC 2022报名不设截止日期,对参赛个人或团队无预设要求,获奖团队不设上限。

      第一阶段:学习提升

      以F-35战斗机等第五代飞机为代表,学习飞机总体设计的方法,掌握第五代战斗机的相关特性,主要包括隐身技术(雷达、红外、声学、光学及射频等)和电子战能力。

F-35战斗机数据链

      为了降低参与DTC 2022的难度,第一阶段的比赛内容主要考察参赛个人或团队掌握飞机总体设计的知识水平。

      推荐参赛团队学习《航空航天概论》(杨超)和《飞机总体设计》(刘虎)两本书及在线课程。

      1. 《航空航天概论》在线课程链接:

      https://www.icourse163.org/course/BUAA-89007

      2. 隐身飞机探究与设计虚拟仿真实验:

      http://saed.buaa.edu.cn

      第一阶段的赛程从2022年6月1日-8月31日结束,在结束之前结合F-35战斗机的相关资料,提交《F-35战斗机总体设计报告》。

      第二阶段:方法设计

      基于《飞机总体设计》的“军用飞机的效能评估”,根据掌握的知识和方法,针对效能公式:E=C*S*A*D,参赛团队可以选择两条赛道中的一个。

      赛道一:作战能力评估

      赛道二:飞机结构完整性大纲(ASIP,Aircraft Structural Integrity Program)

      利用工业4.0研究院提供的“数字孪生靶场”(DTR,Digital Twin Range),设计一套飞机效能评估方法。

      第二阶段的赛程从2022年9月1日-11月30日结束。

      第三阶段:研发验证

      基于第二阶段设计的方法,在数字孪生靶场平台上用软件实现,并通过数字孪生靶场来验证其效果。

      第三阶段的赛程在2022年12月31日之前结束。

      作为数字孪生体应用的先导性领域,航空器的研制和维护是最佳的应用场景。欢迎立志颠覆性创新的个人或团队参赛,接受严格的知识和智力上的挑战。

      欢迎各大高校或创新型企业组织人员参赛。

      报名要求如下:

      1. 参赛的个人或团队编写介绍,要求以PPT呈现,包括:(1)团队名称;(2)团队定位/特点;(3)团队成员介绍。

      2. 以上PPT发送到邮箱:innobase@qq.com(邮件标题写明团队名称)。

      3. 添加DTC 2022联系人零点壹,微信:punkt1

      对于参与DTC 2022的个人,可以获得优先入职工业4.0研究院及下属企业的机会,薪资待遇从优。

 

“数字孪生靶场”研发进入装备融入阶段

      作为数字孪生战场的杀手级应用,数字孪生靶场(DTR,Digital Twin Range)近期有重要进展,它已经成功导入数字孪生太空项目,并完成了理论研究和案例跟踪工作,接下来将进入装备系统融入的阶段。

      通过对标美国国防部JADC2项目,以“数字孪生太空”项目为抓手,率先解决空天传输和数据链的问题,建立数字孪生卫星、数字孪生飞机和数字孪生网络等模块,组成一套面向未来作战需求的数字孪生靶场平台。

数字孪生卫星

      在《仿真与兵棋推演》一书中,波兰军事工程大学系统研究了“欧洲方案”,该方案主要特点为“人工智能+兵棋推演”,这成为数字孪生靶场的主要场景应用之一,跟工业4.0研究院承担的项目结合紧密,能满足灵活性要求。

      除了全面系统学习研究全球领先经验,数字孪生靶场项目组还借鉴国内知名军事专家撰写的《装备作战仿真》,希望在引入数字孪生装备的时候能少走弯路。

      该书对装备保障的应用,能跟点肆公司正在开展的“数字孪生保障”有机融合,形成了共享共用的效果,促进了“数字孪生+”战略的探索和实践。

基于ModelCenter的兵棋推演

      秉承开放创新的理念,工业4.0研究院将继续跟相关单位继续交流。

      预计在6-9月开展几个重点案例的研究,包括波音公司基于ModelCenter的兵棋推演、美国陆军的“数字空地一体化靶场”和美国太空部队的系统有效分析仿真等。

      根据第四届数字孪生体挑战赛(DTC 2022)计划,2022年度比赛基于“数字孪生靶场”来开展,将包括数字孪生装备和数字孪生推演等内容,工业4.0研究院将提供智力支持,欢迎对人才或业务机会感兴趣的企业提供赞助。

      关注DTC 2022的人员,请到“数字孪生体挑战赛”公众号查看相关消息。

      欢迎对理论研究或开发工作感兴趣的团队或个人,以访问学者或实习生的身份参与数字孪生靶场的工作。

      有意者请发邮件到:innobase@qq.com