随着互联网、大数据以及人工智能等新一代科学技术的飞速发展，尤其是5G技术的兴起，对于各个行业的数字化、智能化起到很大的推动作用，同时也对制造和仿真提出了更高的要求。在这个环境下，作为工业互联网平台的关键技术之一的数字孪生技术便脱颖而出，成为了构建智慧城市、智慧交通的重要技术。下面就让小编带大家了解一下数字孪生技术及其在工程生产中的应用！
01、什么是数字孪生
数字孪生（Digital Twin）是充分利用物理模型、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。数字孪生是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的装备系统的数字映射系统。
02、数字孪生技术的核心推动趋势
伴随着新一代信息与通信技术的成熟，数字孪生技术也在不断地发生着变化。下面就来介绍一下数字孪生技术的几个核心推动趋势。
1.数据采集和交互变得更加简单和便宜
传感设备种类的丰富以及价格的下降，使得在不同场景中实现数据采集的前置成本明显下降。物联网技术的兴起，也降低了多种传感器数据交互的成本和技术门槛。
2.数据处理能力的不断提升
云计算的迅速发展，能够满足数字孪生应用所需的海量数据存储和分析能力。边缘计算的普及，可以进一步提高数据处理分析的实时性。以计算机学习为代表的新一代数据分析技术，也侧面推动了数字孪生的发展，为生产运维等多种场景提供准确、智能的预测。
3.丰富多元的人机交互方式
增强现实、语音识别、虚拟助手等技术的成熟，为数字孪生技术带来了多元化的展示和交互方式，使得协同设计、远程维修等场景能够更好的与数字孪生相结合，推动全新管理和协作模式的发展。
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在对数字孪生技术进行了解之后，让我们来看看数字孪生技术有哪些具体的应用吧！
城市抗洪抢险
由于极端天气的发生和人口的增长，使世界各地城市中本不完备的现有排水基础设施更加不堪重负，由此导致的洪涝灾害不仅会造成财产和基础设施损失，还会影响人身安全，阻碍经济发展。
为了应对洪涝灾害的威胁，各城市正在努力通过数据驱动的规划、开发和运营来提高抗洪能力。为实现这一目标，一些城市通过使用数字孪生技术来提高当前基础设施的适应力，从而支持持续发展和未来规划。
要创建数字孪生模型提高洪灾适应力，需要将城市级别的实景建模、三维测绘和洪灾建模集成到一起。得出的洪灾适应力模型可用于分析、模拟、可视化和信息交流。那么具体要怎样建立洪灾适应力模型呢？
首先，使用实景建模和三维测绘软件，借助无人机拍摄的重叠影像和地面影像，辅以必要的激光扫描，可以生成高分辨率的城市级别三维实景模型。实景模型/格网信息按空间进行了分类，这意味着网格化城市景观中的各个建筑物、地块和其他要素是与地表适用的GIS数据关联在一起的。这也就生成了原始的工程级别实景模型，该模型具有足够的分辨率和可扩展性，可以放大某个区域并脱离网格直接执行工程工作。关键的一点是，这一实景模型包括数字地形数据，这是所有水文模拟的基础。
其次，通过为相关区域（无论是整座城市还是其中的一小部分）设置计算网格，可以创建洪灾适应力模型。
然后，使用洪灾模拟所用的数据填充此计算网格。数字地形数据可以从实景模型中直接获取，为洪灾建模软件提供精确的地表数据，并为查看洪灾模拟提供实景环境。实景模型还可用于识别街道、人行道、绿地、树木和洪灾适应力模型所需的其他信息。洪灾软件使用数字模型来模拟一系列的水力和水文过程，包括降雨、渗入、地表径流、渠道流量和地下水流量。
立交桥建设
这里以盐港东立交工程为例，来说明数字孪生在立交桥建设方面的应用。
盐港东立交工程地处深圳市东部盐田区，为多路交汇所形成的大型枢纽立交工程，主要衔接盐坝高速、盐龙大道、坪盐通道及进港路四条高快速路。
项目首次在交通工程领域使用Bentley iTwin技术，为道路设计和运营创建数字孪生模型。项目团队使用Bentley开放式建模和模拟应用程序，整合大量数据以支持先进的多专业BIM工作流，包括实景模型、摄影测量、岩土工程、现场信息、道路平整、交通监控和业务数据。通过利用ProjectWise协同平台，多专业团队可以在设计和施工期间共享和交换模型及信息。
利用数字孪生模型，项目团队可以分析封路对交通和周边环境的影响，进而降低施工过程中对交通的影响，减少对周边环境的破坏。此外，基于iTwin技术，结合增强现实（AR）技术，可以分析风险因素和验证施工方案的可行性。同时，可精确定位已有市政管线的空间位置，避免施工时对已有设施造成破坏。
借助Bentley的数字孪生解决方案，深圳高速工程顾问有限公司预计总体提升沟通效率15％以上，并显著提高设计效率。项目完成后，公司将继续利用数字孪生模型提升运营和维护，为将来的项目奠定基础。
航空器制造
航空发动机已经成为人类有史以来最复杂最精密的工业产品，每台零件数量达万件以上。航空发动机虽然只是飞行器的一个分系统，但其所涉及的学科和技术领域几乎与整个飞行器相同，在许多技术上的要求甚至更高，可以说是集成了各个技术领域的尖端技术，是典型的知识、技术密集的高科技产品。作为全球三大航空发动机生产商之一，美国GE公司为了提高其核心竞争力和加强市场主导地位，在其航空发动机全生命期过程引入了增材制造和数字孪生等先进技术，这是促使GE公司向一家数字化工业公司演变的成功关键之一。
增材制造作为数字孪生产业的典型应用带给GE公司的优势有以下三点：
1.零部件的轻量化。
2.通过产品设计优化和免组装的整体式制造来提升航空发动机零部件的性能。例如，Catalyst涡桨发动机将855个零件通过增材制造技术组合成12个零件，减重5%；与同级别的发动机相比，Catalyst涡桨发动机的燃油消耗降低20%,巡航功率增加10%,大修间隔为4,000小时，比竞争对手多出33%。
3.整体设计一体打印成形，使得零部件数量大幅度减少，进而大幅度简化研发组织、供应链管理和维保服务。
图1
图2
以CT7涡轴/涡桨发动机改进型的燃烧室中框架单元体为例（图1、图2），采用增材制造一体化工艺后，原来的七个组件及其300个零件最终组合成一个零组件。除了减重十余磅，研发团队规模减少了一个数量级，供应商数量由50多降为一个，技术服务中心由五个降为一个。整体化设计同时减少了装配过程，提高了性能和可靠性。减重则意味着全寿命周期使用成本的降低，数据系统的减少也减轻了IT系统的难度和负荷。这些特性使GE航空发动机产业数字孪生体的叠加效应放大许多倍。
结语
在科幻的世界中，人类终有一天会将自己的意识上传到数字世界，实现“永恒”。而在更实际的未来世界中，我们可以应用数字孪生的概念，将各个物理产品实体内包含的全部信息进行数字化、关联化，从它的设计方案、加工过程、运行状态等信息内，发掘信息内深藏着的价值。在小编看来，这些物理实体的数字孪生，将是未来物联网的重要基础之一，也将对工业制造业的发展产生革命性的影响。
