概要

隨著(zhù)AI、VR、三維掃描等先進(jìn)科技逐漸融入制造行業(yè)，實(shí)體和虛擬之間的界線(xiàn)變得越發(fā)模糊，甚至有人認為，我們正在經(jīng)歷第四次工業(yè)革命。工業(yè)4.0的核心正是“數字孿生”，即部件、資產(chǎn)、系統或流程的虛擬副本，可用于跟蹤或改進(jìn)

性能。本文，我們將介紹這些孿生模型的制造過(guò)程、應用領(lǐng)域及可能帶來(lái)的機遇。

數字孿生類(lèi)型

部件、資產(chǎn)、系統、流程

數字孿生技術(shù)

三維掃描、VR、AR及CAD、BIM、MRS、數字欒生程序

目標應用場(chǎng)景

虛擬產(chǎn)品測試、設施監控、工業(yè)流程優(yōu)化、城市規劃、庫存數字化

簡(jiǎn)介

數字孿生不只是3D模型，它們還通過(guò)實(shí)時(shí)數據饋送與真實(shí)部件、資產(chǎn)、系統或流程相連接

數字孿生是有可能改變產(chǎn)品制造方式的幾種新興技術(shù)之一。但是，我們不能只看到它帶來(lái)的機遇，還需要回答一個(gè)問(wèn)題：數字孿生究竟是什么？

從根本上說(shuō)，數字孿生概念緊緊圍繞這樣一個(gè)理念：產(chǎn)品、機器甚至更廣泛的裝置，都可以變成虛擬模型。無(wú)論是通過(guò)數據聚合研發(fā)，或利用三維掃描等技術(shù)捕獲，都需注意，這些數字孿生不僅僅是數字副本。事實(shí)上，它們通過(guò)一系列附加傳感器與現實(shí)中的實(shí)物交換數據。這種數據流可包含各種數據，從生產(chǎn)過(guò)程中的物體狀態(tài)到機械能量輸出，對制造商帶來(lái)很大優(yōu)勢。

要點(diǎn)

數字孿生為制造商提供了寶貴手段，可以在車(chē)間鋪開(kāi)生產(chǎn)前對特定工作流程的提升進(jìn)行測試。

有了系統或流程的數字孿生，人們就能監控它們的各個(gè)方面，并找到優(yōu)化的方式。這些數據可用于機器維護和預防性維護，來(lái)避免故障、降低停機時(shí)間。數字孿生系統還為制造商提供了寶貴手段，能在車(chē)間鋪開(kāi)生產(chǎn)前，通過(guò)較小規模的模擬對特定工作流程的提升進(jìn)行測試。

輔助動(dòng)力裝置（APU）數字孿生。圖源：屯特大學(xué)

假設您想評估多個(gè)活動(dòng)部件組成的資產(chǎn)在組裝后的性能表現。利用數字孿生，您可以仔細檢查該產(chǎn)品的各個(gè)組件如何相互作用，并找到可能的改進(jìn)方案，從而避免在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中出現大量試錯。

把目光放遠，我們甚至還能在城市規劃過(guò)程中使用同樣的方法。建筑師現在能以這些建筑數據為基礎，分析實(shí)驗性城市景觀(guān)若真正完工，能否像預期的那樣，提高建筑可持續性，提升市民生活品質(zhì)。

要點(diǎn)

數字孿生并不僅僅是真實(shí)資產(chǎn)、系統、流程的3D模型，兩者還通過(guò)實(shí)時(shí)數據流連接起來(lái)。

今天我們所熟知的數字孿生概念由密歇根大學(xué)的Michael Grieves于2002年首次提出，但直到8年后，美國國家航空航天局的John Vickers才將其命名為“數字孿生”。此后，這項技術(shù)從制造業(yè)小眾名詞變成了引領(lǐng)全球的頂尖工業(yè)技術(shù)之一。特別是數字孿生有望和AI、AR、3D打印技術(shù)一樣，成為一項支持全面系統集成的技術(shù)（亦稱(chēng)“物聯(lián)網(wǎng)”），持續不斷地激發(fā)制造商放飛想象。

那么這一切在現實(shí)世界中究竟如何發(fā)揮作用？接下來(lái)，我們將詳細介紹數字孿生的制作方法、三維掃描如何優(yōu)化進(jìn)一步優(yōu)化、以及數字模型如何應用于不同行業(yè)。

數字孿生類(lèi)型

部件與資產(chǎn)數字孿生

產(chǎn)品孿生大致可分為兩種不同類(lèi)型：部件與資產(chǎn)。部件指大型結構中小的基本的功能組件，如裝配體的接頭和橫梁（也稱(chēng)為機械子裝配體）。而資產(chǎn)指的是由兩個(gè)或以上組件組成的產(chǎn)品，它們間的互動(dòng)可通過(guò)數字孿生的虛擬形式進(jìn)行分析。

為延長(cháng)蒸汽輪機生命周期的數字孿生系統。圖源：通用電氣

系統數字孿生

繼續放大，我們就有了系統數字孿生。這些模型既可以由組裝完成、帶有完整功能的部件或資產(chǎn)組成，也可以是用于生產(chǎn)這些部件或資產(chǎn)的機器。重要的是，這類(lèi)數字孿生允許用戶(hù)分析不同類(lèi)型資產(chǎn)如何相互作用，并找到提升性能的方案。

流程數字孿生

若進(jìn)一步延伸，數字孿生還能用于監控整個(gè)工廠(chǎng)。這些數字孿生讓制造商得以同步工廠(chǎng)所有系統，無(wú)論是生產(chǎn)系統還是通風(fēng)等輔助系統，還能確保它們始終高效運行。數字孿生還可以是得力的規劃工具。例如，探究一臺系統出現故障會(huì )對其他系統造成何種影響。

對多項流程進(jìn)行宏觀(guān)監控，用戶(hù)就能提前發(fā)現物料短缺和設備維護等問(wèn)題，從而提前制定計劃，延長(cháng)系統正常運行時(shí)間。

三維掃描有何作用？

以上就是對數字孿生的介紹。那三維掃描究竟起到什么作用？目前，這項技術(shù)是創(chuàng )建此類(lèi)數字孿生模型的主流方法之一，屬于“現實(shí)捕獲”數字化過(guò)程中的環(huán)節之一。

雖然可以開(kāi)發(fā)計算模型來(lái)收集數字孿生模擬所需數據，無(wú)需任何現實(shí)捕獲技術(shù)，但這一工作流往往長(cháng)達數月之久。而三維掃描獲取這些數據的速度就快了很多。無(wú)論是一個(gè)零件還是整個(gè)流程鏈的數字化，既可用于實(shí)時(shí)分析，也能作為基礎用于創(chuàng )建全集成數字孿生。

用于實(shí)時(shí)管理運行和感知數據的數字孿生

當然，還有其他現實(shí)捕獲技術(shù)。例如，利用攝影測量法，可以用智能手機等日常設備拍攝多角度照片，根據相片的重疊區域創(chuàng )建數字孿生。但是，這項技術(shù)不夠精準，使用起來(lái)也相當耗時(shí)，無(wú)法提供實(shí)時(shí)反饋，這就容易造成掃描數據的丟失。

此外，三維掃描還能提供線(xiàn)性測量，而攝影測量更容易失真。這是因為這項技術(shù)很大程度上依賴(lài)于圖像質(zhì)量，而圖像質(zhì)量會(huì )受到相機分辨率、運動(dòng)模糊等諸多因素的影響。我們后面也會(huì )提到，準確度是創(chuàng )建實(shí)用數字孿生的重要前提，而這種偏差確實(shí)導致攝影測量技術(shù)難以用于數字孿生。

要點(diǎn)

三維掃描為制造商帶來(lái)了更快、更多樣的方式，來(lái)為產(chǎn)品和設備進(jìn)行精準數字化。

相比之下，LiDAR激光掃描仍然是測量領(lǐng)域中廣受歡迎、高度精準的大型結構建模方式。手持式三維掃描儀用途廣泛，有些自帶內置屏顯，能讓您邊掃描邊檢查掃描數據。這些設備十分有效，掃描結果可作為創(chuàng )建CAD或BIM模型的基礎，完成數字孿生。

總體而言，三維掃描技術(shù)的進(jìn)步使之獨具魅力，成為獲得制造關(guān)鍵信息、加快創(chuàng )建數字孿生的得力工具。但是，如果您剛接觸這項技術(shù)，那么在首次購買(mǎi)設備時(shí)，要考慮哪些差異化因素呢？下面，我們來(lái)詳細了解下有關(guān)方面。

Artec Ray II

如果您需要為大型區域制作數字孿生，例如為工廠(chǎng)、房屋內部提供遠程訪(fǎng)問(wèn)，您需要考慮掃描距離這一因素。Artec Ray II可安裝在三腳架上，可快速捕獲130米內的表面，10米處的3D點(diǎn)位精度高達1.9毫米。加上內置屏顯，該設備能減少掃描數據與工廠(chǎng)之間的偏差，使數字孿生符合應用需求。

為真實(shí)再現設備細節，可能還需要使用手持掃描儀掃描精密部位，再與Artec Ray II捕獲的數據合并，該操作可在A(yíng)rtec Studio中完成。無(wú)論是新采集還是預處理的數據，該平臺都簡(jiǎn)化了點(diǎn)云數據對齊流程，以及整體聯(lián)合配準過(guò)程，可建成分辨率和精準度高的3D模型。

埃太科三維的遠距Ray II三維掃描儀

這一過(guò)程與行業(yè)無(wú)關(guān)，因此，可能是為堆滿(mǎn)機器的車(chē)間、倉庫進(jìn)行數字化，但無(wú)論任何場(chǎng)景，這項優(yōu)勢都是顯而易見(jiàn)的。實(shí)時(shí)追蹤生產(chǎn)性能也便于盡早發(fā)現并解決瓶頸問(wèn)題，無(wú)論這些問(wèn)題是由設計缺陷造成的，還是后期制造故障造成的。

雙重動(dòng)力: Ray II + Leo

此外，如果您打算為資產(chǎn)而非流程制作數字孿生，那么速度和靈活度可能更重要。AI驅動(dòng)的無(wú)線(xiàn)Artec Leo掃描儀同時(shí)滿(mǎn)足了這兩項要求，用戶(hù)能在HD模式下，以3500萬(wàn)點(diǎn)/秒的速度采集數據，同時(shí)通過(guò)5.5英寸顯示屏實(shí)時(shí)監控掃描進(jìn)度。

Leo也不會(huì )因速度而犧牲分辨率，通過(guò)HD模式能更輕松地為中小型物體采集干凈的高分辨率掃描。所有這些功能都使之成為創(chuàng )建數字孿生的可靠工具，可高度復現產(chǎn)品的復雜部位。

Artec Leo和Ray II合并后為管網(wǎng)創(chuàng )建細節豐富的數字孿生模型

若資產(chǎn)很小，即可考慮采用Artec Micro完成數字化。該設備精度高達10微米，能以小的誤差為螺絲釘、子裝配部件等完成建模，這點(diǎn)對于數字孿生的制作基礎而言至關(guān)重要，下文我們還將進(jìn)一步解釋。

尺寸公差

想讓數字孿生成為衡量生產(chǎn)性能的有效工具，首先需要以準確的數據為基礎。這是因為任何錯誤測量都有可能導致工作流程分析出現偏差。幸運的是，現在有幾款三維掃描儀的精度可以達到數字孿生模型的要求。

如果您需要為中小型物體制作數字孿生，結構光三維掃描儀絕對是不二之選。在捕獲工業(yè)緊固件和閥門(mén)等更復雜的部件時(shí)，掃描效果可能更多取決于“尺寸公差”，即按設計運作時(shí)可承受的偏差量。

Artec Space Spider這類(lèi)計量級三維掃描儀能夠實(shí)現這一目標，為微小、復雜的物體制作精準模型，也能為較大的物體完成截面模型，與真實(shí)尺寸的偏差小至0.05毫米。

數據處理

數字孿生另一個(gè)易被忽略的重要因素就是數據處理。掃描完成后，如何快速、輕松地處理生成的數據、并導出至其他平臺，這點(diǎn)對工作流程的效率而言至關(guān)重要。在實(shí)際操作中，這就意味著(zhù)能夠在工業(yè)分析過(guò)程中以常用的兼容格式傳輸文件，同時(shí)保留重要的圖像數據。

要點(diǎn)

使用合適的三維掃描軟件，您就可以快速捕獲產(chǎn)品、系統、面積，并將生成的3D網(wǎng)格直接導出至數字孿生平臺。

在使用三維掃描制作數字孿生時(shí)，還要注意這些平臺的使用難度。這時(shí)，Artec Studio就能體現出獨特優(yōu)勢。軟件不僅可以把采集的數據再現成虛擬區域或產(chǎn)品，支持將文件以STEP和IGES格式導出，還大幅簡(jiǎn)化了這一流程。

Artec Studio的自動(dòng)曲面功能將有機形狀一鍵轉換為CAD模型

只需回答幾個(gè)簡(jiǎn)單問(wèn)題，Artec Studio的自動(dòng)模式就能選定合適的算法來(lái)處理給定數據集。這有助于掃描新手快速掌握這項技術(shù)，自動(dòng)完成掃描到網(wǎng)格的流程。但同時(shí)，軟件也支持用戶(hù)自行調整設置，可處理多達5億個(gè)多邊形的數據集，幾乎涵蓋所有物體和區域。

如何創(chuàng )建數字孿生

因此，數字孿生既可以用龐大的數據集來(lái)構建，也能基于真實(shí)區域或物體的三維掃描完成。那這些過(guò)程在實(shí)際操作中是怎樣的呢？數據集方式往往依賴(lài)于相關(guān)資產(chǎn)、企業(yè)資源規劃（ERP）系統以及其他文件（如CAD設計草圖）所生成數據訓練出來(lái)的算法。有了這些數據，數字孿生就能發(fā)現輸入和輸出之間的關(guān)系，并利用這些發(fā)現來(lái)預測未來(lái)的生產(chǎn)情況。

相比之下，現實(shí)捕獲的數字孿生創(chuàng )建方式就更為簡(jiǎn)單明了。只需安裝Ray II這類(lèi)三腳架掃描儀，就能自動(dòng)掃描工廠(chǎng)車(chē)間，也可以使用Leo這類(lèi)手持式掃描儀，多角度快速捕獲中小型物體。如此，便能將任何物體或結構輕松轉化為數字模型，這是制作任何實(shí)用性數字孿生模型的先決條件。不過(guò)，若對應的實(shí)物發(fā)生變化，這些模型可能也需要重新掃描。

工程師安裝Artec Ray II為大型戶(hù)外集裝箱創(chuàng )建數字孿生模型

在某些情況下，甚至可以結合使用兩種方式，各取所長(cháng)，完成混合數字孿生。選擇哪種數字化方法很大程度上取決于上文列出的對應場(chǎng)景下的特定因素，如精度、速度和尺寸。但是，一旦完成了3D模型也不代表流程的終點(diǎn)，您仍然需要將傳感器連接到實(shí)物上，建立數據連接。

同樣，傳感器的連接位置也取決于您的應用場(chǎng)景，如升力模型、異常模型、熱模型和瞬態(tài)模型，每種模型都需要不同的數據輸入才能發(fā)揮作用。同樣，為充分利用數字孿生，如果您打算通過(guò)數據創(chuàng )建數字孿生，則可考慮添置分析和模擬程序，或考慮聘請數據專(zhuān)家。

數字孿生如何運作？

數字孿生不僅需要其外觀(guān)和真實(shí)產(chǎn)品、系統、流程高度相似，還需要“行為”相似。這就需要將數字孿生與實(shí)物相連，便于實(shí)時(shí)監控并分析實(shí)物性能。

通過(guò)在產(chǎn)品關(guān)鍵部位連接傳感器或執行器，就能在產(chǎn)品、數字孿生、現有制造執行系統（MES）之間來(lái)回共享數據。這種持續不斷地信息流對制造商而言大有裨益，能幫助他們找到流程整改措施，監控系統的運行情況。

在產(chǎn)品開(kāi)始批量生產(chǎn)之前，用戶(hù)還能利用數據流來(lái)評估產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程以及終端使用場(chǎng)景下的性能。通過(guò)這種方式，數字孿生用戶(hù)可以進(jìn)行設計迭代，無(wú)需制作實(shí)物原型，這不僅能節省材料，還能讓產(chǎn)品盡快問(wèn)世。

數字孿生與物聯(lián)網(wǎng)

說(shuō)完數字孿生的工作原理，我們來(lái)看看使用它們有何好處。其中常見(jiàn)的一個(gè)應用場(chǎng)景就是物聯(lián)網(wǎng)（IoT）。這是一個(gè)廣義概念，指任何相互連接的電子設備。在制造領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)的趨勢早已興起，那究竟優(yōu)勢何在？

首先，整合工作流程可以實(shí)現更高程度的自動(dòng)化，尤其現在還有了AI的參與。這就減少了操作過(guò)程中所需的人力投入，從而提高了生產(chǎn)率，同時(shí)將錯誤率降到很低，畢竟誤差會(huì )會(huì )對生產(chǎn)品質(zhì)造成影響。根據歷史數據，物聯(lián)網(wǎng)還能降低或提高產(chǎn)量，優(yōu)化資源利用率，更好地滿(mǎn)足客戶(hù)需求。

概念圖：數字孿生系統中，AI驅動(dòng)的機械實(shí)現自動(dòng)化耕作

同時(shí)，從長(cháng)遠來(lái)看，將特定設施中的每臺機器連接到物聯(lián)網(wǎng)絡(luò )中，將釋放出更多商機。隨著(zhù)對人工操作依賴(lài)度的降低，全自動(dòng)熄燈工廠(chǎng)逐漸走紅。此外，由于有關(guān)消費者偏好的信息越來(lái)越豐富，物聯(lián)網(wǎng)工作流程讓用戶(hù)得以快速利用新興趨勢。所有這些都預示著(zhù)數字孿生市場(chǎng)潛力巨大。

要點(diǎn)

隨著(zhù)數字孿生、三維掃描、VR、AI等先進(jìn)技術(shù)的興起，創(chuàng )建完全互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)工作流程已成為可能。

數字孿生軟件

這就是數字孿生的工作原理，但實(shí)踐中人們是如何開(kāi)發(fā)利用的呢？下面我們來(lái)看些主流平臺如何幫助制造商將三維模型轉換為數字孿生，優(yōu)化相應工作流程。

Oracle IoT資產(chǎn)監控云服務(wù)

知名軟件開(kāi)發(fā)商O(píng)racle的數字孿生專(zhuān)用資產(chǎn)監控云服務(wù)允許用戶(hù)密切監控其資產(chǎn)利用率、位置和整體狀態(tài)。只要有一組數據集或3D模型，可用于創(chuàng )建數字孿生，就能開(kāi)始使用這一平臺。支持JSON元數據格式、OBJ等常用建模文件，也支持Autocad或Sketchup等常用程序創(chuàng )建的文件。

Oracle用戶(hù)上傳模型后，就能利用軟件來(lái)檢查、定位，也可以用“Explode”功能分解資產(chǎn)。隨后，即可一鍵將節點(diǎn)連接到子資產(chǎn)。不過(guò)，為了收集性能實(shí)時(shí)數據，必須在實(shí)物相關(guān)區域安裝傳感器。

Oracle表示，用戶(hù)可利用該程序創(chuàng )建各種類(lèi)型的模型，包括虛擬孿生、預測孿生，也能進(jìn)行孿生投影。虛擬孿生模型主要使用語(yǔ)義為主的數據模型，來(lái)對比觀(guān)測屬性和期望屬性間的匹配情況。用于叉車(chē)等車(chē)輛周?chē)鷷r(shí)，可有效監控剎車(chē)磨損、輪胎磨損、臂長(cháng)，確保設備性能。

另一方面，Oracle的預測孿生依靠機器學(xué)習開(kāi)發(fā)的分析和統計模型，能夠不斷適應工廠(chǎng)現場(chǎng)不斷變化的環(huán)境。這意味著(zhù)它們能利用實(shí)時(shí)數據監控資產(chǎn)、系統、流程性能，識別趨勢和問(wèn)題，找到解決方案，發(fā)現未來(lái)的維護需求。反過(guò)來(lái)，孿生投影幫助企業(yè)基于這些發(fā)現，引入補救措施，或在需要進(jìn)一步分析時(shí)，將它們導出至其他Oracle程序。

亞馬遜AWS IoT TwinMaker

也許一開(kāi)始你很難把亞馬遜和工業(yè)制造聯(lián)系起來(lái)，但亞馬遜子公司AWS在云服務(wù)領(lǐng)域其實(shí)早已頗有建樹(shù)。AWS表示，通過(guò)其IoT TwinMaker平臺，用戶(hù)可以將現有3D模型和現實(shí)世界的數據結合起來(lái)，為工業(yè)設備乃至整條生產(chǎn)線(xiàn)創(chuàng )建數字孿生。

根據AWS的3D導入指南，人們可以將三維掃描平臺導出的OBJ等文件輕松轉換為兼容TwinMaker的GLTF。這種做法也有其他優(yōu)勢，例如縮短程序加載時(shí)間，簡(jiǎn)化屏幕或場(chǎng)景中模型的更新方式。

AWS IoT TwinMaker上的流程數字孿生實(shí)例。圖源：亞馬遜AWS

用戶(hù)準備好數字孿生并將其連接至實(shí)物后，就可以利用AWS或合作產(chǎn)品的內置分析工具（包括西門(mén)子和Ansys等知名工業(yè)軟件開(kāi)發(fā)商），來(lái)全面了解生產(chǎn)流程。Ansys出售自己的數字孿生創(chuàng )建工具，提供非常實(shí)用的軟件工具，用戶(hù)可以測試資產(chǎn)、系統和流程升級后的完整虛擬原型，而無(wú)需冒險將其制作成實(shí)物。

Autodesk Digital Twin

Autodesk是三維軟件領(lǐng)域的另一個(gè)主流品牌，同樣提供數字孿生軟件，不過(guò)，它的產(chǎn)品主要面向建筑行業(yè)。該品牌具備開(kāi)發(fā)兼容建筑信息模型（BIM）的專(zhuān)有技術(shù)，并在此基礎上推出了Autodesk Digital Twin，用戶(hù)可以匯總設計、運營(yíng)和施工數據。如此，用戶(hù)便能更好地了解新基礎設施的構建方式，做出更明智的決策，找到融入當地的方式。

例如，測量并降低風(fēng)險，通過(guò)優(yōu)化資本支出提高投資回報率，或保證高效的設施維護。平臺可集成至Autodesk其他程序，意味著(zhù)支持更多文件交叉兼容，加速了數字孿生的創(chuàng )建過(guò)程。

Autodesk Tandem上的磁電流量計。圖源：Autodesk

不斷積累和分析建筑數據必然可以幫助用戶(hù)改進(jìn)投資決策、預測規劃需求、推測故障，因為數據掌握得越多，就越了解情況。當然，這也適用于市場(chǎng)上其他程序，但在特別容易出現超支的建筑行業(yè)，這項優(yōu)勢格外突出。

要點(diǎn)

許多平臺兼容常用的三維掃描文件類(lèi)型，這使得文件導出并創(chuàng )建數字孿生的流程變得更加容易。

數字孿生應用場(chǎng)景

制造業(yè)

在所有應用領(lǐng)域中，數字孿生在制造業(yè)的應用廣泛，實(shí)時(shí)數據能用于提高車(chē)間性能、通過(guò)模擬保證產(chǎn)品質(zhì)量，并安排未來(lái)維護時(shí)間，減少停機時(shí)間。虛擬倉儲是幫助制造商管理資源的另一種方式，三維掃描提供了產(chǎn)品和備件數字化的高效手段。

數字孿生不僅可以作為數據收集的基礎，也可以為備件和產(chǎn)品創(chuàng )建數字數據庫。這類(lèi)數據庫可實(shí)現按需生產(chǎn)，無(wú)論是為滿(mǎn)足內部維護需求還是突然增長(cháng)的客戶(hù)需求。提高數字化程度也能降低倉儲成本，因為制造商可以減少庫存。如此一來(lái)，這項技術(shù)就能帶來(lái)短期與長(cháng)期的經(jīng)濟效益，也越來(lái)越受到制造商的青睞。

汽車(chē)

工業(yè)制造領(lǐng)域體現的諸多優(yōu)勢，在汽車(chē)領(lǐng)域也同樣存在。例如，在新型電動(dòng)汽車(chē)與自動(dòng)駕駛原型車(chē)全面投產(chǎn)前，這些設計都可以通過(guò)虛擬模擬進(jìn)行驗證，可節省昂貴的試錯成本。除此之外，這項技術(shù)也同樣為汽車(chē)行業(yè)帶來(lái)了獨特優(yōu)勢。

汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)數字孿生。圖源：西門(mén)子

大多數汽車(chē)都是通過(guò)高度復雜的生產(chǎn)線(xiàn)制造的，需要多個(gè)機械臂共同執行部件組裝、焊接、噴涂、噴漆等任務(wù)。有了數字孿生技術(shù)，就可以在生產(chǎn)流程開(kāi)啟前，對部件如何組合進(jìn)行模擬，以此來(lái)優(yōu)化生產(chǎn)周期和生產(chǎn)率。這種孿生系統還有助于實(shí)現制造模塊化，便于汽車(chē)制造商更改系統行為，根據客戶(hù)需求定制限量款汽車(chē)。

此外，在終端性能方面，數字孿生使得制造商能夠測試車(chē)輛在實(shí)際條件下的表現。事實(shí)上，汽車(chē)巨頭雷諾已在正式投產(chǎn)前，對其公路用汽車(chē)進(jìn)行風(fēng)洞到碰撞的各種測試。因此，雷諾不需要冒任何風(fēng)險，就能對發(fā)動(dòng)機輸出動(dòng)力、空氣動(dòng)力學(xué)、齒輪情況等方面的表現有清晰了解。

航空航天

由于數字孿生開(kāi)始是由美國國家航空航天局（NASA）命名的，那么，這項技術(shù)在航空航天，尤其是研發(fā)領(lǐng)域得到持續的廣泛應用，似乎也就不足為奇了。由于可飛行部件的公差十分小，所以對其進(jìn)行精準模擬，是防止關(guān)鍵故障和延長(cháng)飛機壽命的重要環(huán)節。數字孿生系統能根據歷史數據預測部件何時(shí)故障，從而簡(jiǎn)化了這一流程。

在航天業(yè)也是如此，NASA長(cháng)期以來(lái)一直使用國際空間站上真實(shí)組件的虛擬模型來(lái)診斷和修復軌道故障。這項技術(shù)還有增強衛星的潛力，近年來(lái)，已成為一項深入研究的課題。隨著(zhù)研發(fā)的推進(jìn)，人們認為數字孿生技術(shù)有朝一日可以讓多個(gè)星座成為一個(gè)整體運行。這樣即可建立一個(gè)真正的綜合衛星網(wǎng)絡(luò )，應用于電視、手機信號通訊、軍事防御協(xié)調等領(lǐng)域。

要點(diǎn)

“數字孿生”起源于航空航天領(lǐng)域，在衛星集成技術(shù)上持續發(fā)力。

同樣在這一領(lǐng)域，NASA的混合現實(shí)培訓計劃已經(jīng)證明，三維掃描可以為宇航員前往其他星球做好準備。NASA同時(shí)使用Artec Eva和Space Spider，為幾款先進(jìn)工具成功制作了數字孿生，這些工具都將被帶去未來(lái)的太空任務(wù)中。這些設備的副本十分逼真，學(xué)員們可以在VR中掌握如何實(shí)操。

為太空設計的工具（左）及其模擬環(huán)境下的數字孿生（右）。圖源：NASA

醫療衛生

提到數字孿生，你可能不會(huì )第一個(gè)想到這個(gè)領(lǐng)域，但這項技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始在醫療衛生領(lǐng)域得到廣泛應用。在這一行業(yè)，這項技術(shù)被更多地應用于流程改進(jìn)，而非優(yōu)化產(chǎn)品性能。醫院往往面臨著(zhù)平衡救治能力、醫療資源、護理模式、患者安全的壓力，而數字孿生技術(shù)就能做到實(shí)時(shí)監控日程安排、床位變化、手術(shù)室使用情況。這些信息可以幫助管理層做出更明智的決策。

未來(lái)，數字孿生技術(shù)有望用于人體建模，醫生可以更深入地了解每位患者的個(gè)體情況。有了這些寶貴信息，就有可能制定個(gè)性化診療方案。當然，要實(shí)現這一目標，還有不少困難尚需掃除。要獲得建模所需數據，需要不斷進(jìn)行生理測試，而這種測試目前仍為侵入式，目前并不可行。

盡管如此，已有跡象表明，三維掃描可以幫助臨床醫生加深對人體的了解。例如，在蒙彼利埃醫學(xué)院（Montpellier Medical University），學(xué)生們正利用Artec Space Spider創(chuàng )建的數字孿生VR模擬進(jìn)行培訓。通過(guò)這些逼真的模型，學(xué)生無(wú)需使用昂貴又稀有的大體標本就能進(jìn)行手術(shù)練習。而且，從這些項目中汲取的經(jīng)驗，也有助于構建完整的患者數字孿生體。

Guillaume Captier教授正在與醫學(xué)培訓中的數字孿生互動(dòng)

建筑

除了在制造業(yè)中創(chuàng )建數字孿生，Artec Ray II等激光掃描儀同樣成為了建筑領(lǐng)域流行的建模手段。利用這種遠距設備，人們可以為大型建筑工地捕獲、創(chuàng )建實(shí)時(shí)模型，讓項目規劃人員能夠和建筑物實(shí)現虛擬互動(dòng)。如此便可簡(jiǎn)化資源管理以及各方溝通，同時(shí)也有助于做出更明智的決策。

要點(diǎn)

Ray II等激光掃描儀可創(chuàng )建數字孿生，以便獲得施工規劃的寶貴信息。

數字孿生能輕松集成至建筑工作流程，離不開(kāi)數字孿生平臺與CAD、BIM模型強大的兼容能力，這些模型在建筑領(lǐng)域尤為常見(jiàn)。與產(chǎn)品制造一樣，您可以在結構模型的不同區域安裝傳感器，來(lái)規劃供暖、通風(fēng)、空調（HVAC），并監控建筑進(jìn)展。

數字孿生面臨的挑戰

盡管我們已在上文中提到了數字孿生在各個(gè)領(lǐng)域內所面臨的挑戰，但這項技術(shù)是否還面臨著(zhù)一些共性的挑戰，同樣值得我們思考。目前，數字孿生的難題在于不夠準確，一旦模型和實(shí)物之間存在重大偏差，就會(huì )嚴重影響生成的數據和分析結果。

使用類(lèi)似Space Spider這樣的高精度掃描儀，是確保計量級精度效果的重要方式，能增加數字孿生的成功幾率。結構光和激光三維掃描技術(shù)還有助于解決數字孿生技術(shù)的另一個(gè)主要問(wèn)題——成本。投資傳統成像技術(shù)和其他數字孿生基本設施，成本可高達100萬(wàn)美元。

Artec Space Spider為復雜的金屬部件創(chuàng )建數字孿生

與此同時(shí)，Artec Eva輕便易購得，Artec Leo采用突破式技術(shù)，這兩款手持式掃描儀的價(jià)格遠遠低于100萬(wàn)美元，且用戶(hù)可以根據自身需要升級設備功能。

第二個(gè)問(wèn)題就是缺乏數據標準。誠然，構建數字孿生需要大量數據，但并非所有數據都能輕松獲取，且數據格式可能各不相同。同樣，孿生系統也會(huì )因應用場(chǎng)景不同、數據收集點(diǎn)之間相距多遠等因素，體現出參差不齊的效果。

這些因素使得我們難以判定數字孿生的優(yōu)勢。但是，有了Artec Studio這樣的平臺，您至少可以享受自動(dòng)處理模型數據的功能，簡(jiǎn)化并加快數據捕獲，隨后再將模型以常用格式導出。

要點(diǎn)

三維掃描技術(shù)的進(jìn)步不斷加快數字孿生的創(chuàng )建速度，并推動(dòng)它們在各行各業(yè)中的應用。

數字孿生技術(shù)的未來(lái)

顯然，數字孿生技術(shù)仍有一些障礙需要克服，才能真正顛覆主流制造領(lǐng)域或城市規劃的現有做法。不過(guò)，數字孿生技術(shù)已經(jīng)證明，它可以提高產(chǎn)量和可重復性，還能在更大范圍的規劃中提高流程效率，別忘了，這項技術(shù)還在持續不斷的研發(fā)過(guò)程中。

數字孿生的創(chuàng )建會(huì )變得越來(lái)越容易，功能越來(lái)越強大，它們可能很快就能主動(dòng)獲取數據，成為物聯(lián)網(wǎng)設置的一部分。與此同時(shí)，三維掃描儀的功能也會(huì )繼續提升，用途更廣，更易購得，進(jìn)一步擴大各行各業(yè)的應用范圍。在這種技術(shù)飛躍的推動(dòng)下，越來(lái)越多的跨國公司開(kāi)始進(jìn)行數字孿生實(shí)驗，諾基亞等電信巨頭也在尋求新的方法來(lái)提高覆蓋率，充分利用其掌握的海量數據。

除了工業(yè)應用外，“數字孿生”一詞也被賦予了新的含義，不僅被用來(lái)描述產(chǎn)品的虛擬副本，也用來(lái)描述其他物體。元宇宙，人與企業(yè)共存的全新虛擬現實(shí)。盡管未來(lái)發(fā)展方向尚不明了，但隨著(zhù)元宇宙概念的不斷推進(jìn)，人們對真實(shí)人物、地點(diǎn)、物體的數字化需求會(huì )進(jìn)一步增長(cháng)。屆時(shí)，元宇宙可能成為數字孿生技術(shù)的下一個(gè)新市場(chǎng)。