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三维数字孪生

一、什么是数字孪生 数字孪生(Digital Twin)的概念最早是由密西根大学的 Michael Gneves教授在其2002年发表的一篇文章中提出的。目前,对于数字孪生的通用定义为:充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。  打个比方我们可以投影的方式来阐述

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一、什么是数字孪生

数字孪生(Digital Twin)的概念最早是由密西根大学的 Michael Gneves教授在其2002年发表的一篇文章中提出的。目前,对于数字孪生的通用定义为:充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

 打个比方我们可以投影的方式来阐述:数字孪生比喻为“投影”,它通过仿真技术采集现实世界中物理模型的各种数据,通过这些数据在屏幕上映射出一个和该物品一模一样的数字体。不但如此,我们还能通过这“投影”实时观察数字实体的运行情况,监控等各种运行参数,并通过大量数据积累结合人工智能对虚拟世界进行更进一步的模拟推演,推演结果最终对现实世界反馈,这就是该技术的价值所在。

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二、数字孪生给我们带来什么

全球知名的未来学家Thomas Frey预测,到2022年,85%的物联网平台将使用某种数字孪生技术进行监控,少数城市将率先利用数字孪生技术进行智慧城市的管理。在十年之后,数字孪生技术将从以下几个方面改变我们的工作和生活。

01智能制造

制造工厂数字孪生

制造业的数字化(工业CAD)已有了近60年的历史,积累了大量数字模型,基于这些数字模型,在未来工厂中每台设备、每个零件、每个传感器都拥有一个数字复制体。通过数字孪生体我们可以精确地了解这些实体设备的运行方式。通过数字模型与实体设备的无缝匹配,可以实时获取设备监控系统的运行数据,从而实现故障预判和及时维修。

02城市智脑

智慧城市的数字孪生体

未来,自动建模技术(BIM)将为城市提供基于图像扫描的城市数字模型,各类政务云平台为数字模型提供“生机”,将覆盖城市的每条电力线、变电站、污水系统、供水和排水系统、城市应急系统、Wi-Fi网络,高速公路,交通控制系统等所有能连接的地方。

03推动现实世界探索

互联网时代,搜索技术让我们得以更轻松地发现、了解和认知事物。在未来,无人机、自动驾驶汽车、传感器将取代当前网络爬虫的工作。搜索技术将变得更加复杂,我们将能够搜索气味、味道、振动、纹理、比重、反射、气压等物理世界的属性。随着时间的推移,新的搜索引擎将能够在数字世界和现实世界中找到几乎所有的东西。

三、数字孪生目前面临的困境

总体来看,数字孪生技术还处在早期阶段,数字孪生技术需要进行全域感知、运行监测,并整合历史积累数据进行运算,还要做到快速及时地输出信息,首先是高度依赖传感器所采集的数据和信息。

在数据的感知方面,在目前的技术水平看来,在工厂中对机器的精确的全域感知依然有难度,更不要说其他领域了。物理实体的数据不够详尽,因此数字副本也会有所缺失,这就会导致数字副本得出的预测和判断有误差,这个问题的解决需要芯片、传感器、物联网等技术进步。

其次软件上,需要更加先进的算法,各类软件的整合,例如利用人工智能、边缘计算等技术,对数据进行更加快速的分析处理,进行可视化呈现。

目前数字孪生技术的瓶颈来自方方面面,还无法大规模普及使用,但它可以为工业制造、未来生活带来无限的可能。随着其他技术的发展,数字孪生将有更多想象空间。

四、基于BIMBuilding Information Modeling)的数字孪生实现


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1. 厂房的全生命周期管理

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2.Revit(基础建模)

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3.Navisworks(碰撞检测)

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4.Fuzor(施工动画模拟)

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5.Lumion(渲染漫游)


五、数字孪的应用实例

基于信息化数字孪生的动画模拟

数字化信息渲染动画

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