概要
隨著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變得越發(fā)模糊，甚至有人認(rèn)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(shù)字孿生”，即部件、資產(chǎn)、系統(tǒng)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程、應(yīng)用領(lǐng)域及可能帶來的機(jī)遇。
數(shù)字孿生類型
部件、資產(chǎn)、系統(tǒng)、流程
數(shù)字孿生技術(shù)
三維掃描、VR、AR及CAD、BIM、MRS、數(shù)字欒生程序
目標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)景
虛擬產(chǎn)品測(cè)試、設(shè)施監(jiān)控、工業(yè)流程優(yōu)化、城市規(guī)劃、庫(kù)存數(shù)字化
簡(jiǎn)介
數(shù)字孿生不只是3D模型，它們還通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)饋送與真實(shí)部件、資產(chǎn)、系統(tǒng)或流程相連接
數(shù)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的機(jī)遇，還需要回答一個(gè)問題：數(shù)字孿生究竟是什么？
從根本上說，數(shù)字孿生概念緊緊圍繞這樣一個(gè)理念：產(chǎn)品、機(jī)器甚至更廣泛的裝置，都可以變成虛擬模型。無(wú)論是通過數(shù)據(jù)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(shù)字孿生不僅僅是數(shù)字副本。事實(shí)上，它們通過一系列附加傳感器與現(xiàn)實(shí)中的實(shí)物交換數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)流可包含各種數(shù)據(jù)，從生產(chǎn)過程中的物體狀態(tài)到機(jī)械能量輸出，對(duì)制造商帶來很大優(yōu)勢(shì)。
要點(diǎn)
數(shù)字孿生為制造商提供了寶貴手段，可以在車間鋪開生產(chǎn)前對(duì)特定工作流程的提升進(jìn)行測(cè)試。
有了系統(tǒng)或流程的數(shù)字孿生，人們就能監(jiān)控它們的各個(gè)方面，并找到優(yōu)化的方式。這些數(shù)據(jù)可用于機(jī)器維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)，來避免故障、降低停機(jī)時(shí)間。數(shù)字孿生系統(tǒng)還為制造商提供了寶貴手段，能在車間鋪開生產(chǎn)前，通過較小規(guī)模的模擬對(duì)特定工作流程的提升進(jìn)行測(cè)試。
輔助動(dòng)力裝置（APU）數(shù)字孿生。圖源：屯特大學(xué)
假設(shè)您想評(píng)估多個(gè)活動(dòng)部件組成的資產(chǎn)在組裝后的性能表現(xiàn)。利用數(shù)字孿生，您可以仔細(xì)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)過程中出現(xiàn)大量試錯(cuò)。
把目光放遠(yuǎn)，我們甚至還能在城市規(guī)劃過程中使用同樣的方法。建筑師現(xiàn)在能以這些建筑數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析實(shí)驗(yàn)性城市景觀若真正完工，能否像預(yù)期的那樣，提高建筑可持續(xù)性，提升市民生活品質(zhì)。
要點(diǎn)
數(shù)字孿生并不僅僅是真實(shí)資產(chǎn)、系統(tǒng)、流程的3D模型，兩者還通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流連接起來。
今天我們所熟知的數(shù)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(guó)國(guó)家航空航天局的John Vickers才將其命名為“數(shù)字孿生”。此后，這項(xiàng)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(shù)字孿生有望和AI、AR、3D打印技術(shù)一樣，成為一項(xiàng)支持全面系統(tǒng)集成的技術(shù)（亦稱“物聯(lián)網(wǎng)”），持續(xù)不斷地激發(fā)制造商放飛想象。
那么這一切在現(xiàn)實(shí)世界中究竟如何發(fā)揮作用？接下來，我們將詳細(xì)介紹數(shù)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(shù)字模型如何應(yīng)用于不同行業(yè)。
數(shù)字孿生類型
部件與資產(chǎn)數(shù)字孿生
產(chǎn)品孿生大致可分為兩種不同類型：部件與資產(chǎn)。部件指大型結(jié)構(gòu)中小的基本的功能組件，如裝配體的接頭和橫梁（也稱為機(jī)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)可通過數(shù)字孿生的虛擬形式進(jìn)行分析。
為延長(zhǎng)蒸汽輪機(jī)生命周期的數(shù)字孿生系統(tǒng)。圖源：通用電氣
系統(tǒng)數(shù)字孿生
繼續(xù)放大，我們就有了系統(tǒng)數(shù)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(jī)器。重要的是，這類數(shù)字孿生允許用戶分析不同類型資產(chǎn)如何相互作用，并找到提升性能的方案。
流程數(shù)字孿生
若進(jìn)一步延伸，數(shù)字孿生還能用于監(jiān)控整個(gè)工廠。這些數(shù)字孿生讓制造商得以同步工廠所有系統(tǒng)，無(wú)論是生產(chǎn)系統(tǒng)還是通風(fēng)等輔助系統(tǒng)，還能確保它們始終高效運(yùn)行。數(shù)字孿生還可以是得力的規(guī)劃工具。例如，探究一臺(tái)系統(tǒng)出現(xiàn)故障會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)造成何種影響。
對(duì)多項(xiàng)流程進(jìn)行宏觀監(jiān)控，用戶就能提前發(fā)現(xiàn)物料短缺和設(shè)備維護(hù)等問題，從而提前制定計(jì)劃，延長(zhǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間。
三維掃描有何作用？
以上就是對(duì)數(shù)字孿生的介紹。那三維掃描究竟起到什么作用？目前，這項(xiàng)技術(shù)是創(chuàng)建此類數(shù)字孿生模型的主流方法之一，屬于“現(xiàn)實(shí)捕獲”數(shù)字化過程中的環(huán)節(jié)之一。
雖然可以開發(fā)計(jì)算模型來收集數(shù)字孿生模擬所需數(shù)據(jù)，無(wú)需任何現(xiàn)實(shí)捕獲技術(shù)，但這一工作流往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)月之久。而三維掃描獲取這些數(shù)據(jù)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(shù)字化，既可用于實(shí)時(shí)分析，也能作為基礎(chǔ)用于創(chuàng)建全集成數(shù)字孿生。
用于實(shí)時(shí)管理運(yùn)行和感知數(shù)據(jù)的數(shù)字孿生
當(dāng)然，還有其他現(xiàn)實(shí)捕獲技術(shù)。例如，利用攝影測(cè)量法，可以用智能手機(jī)等日常設(shè)備拍攝多角度照片，根據(jù)相片的重疊區(qū)域創(chuàng)建數(shù)字孿生。但是，這項(xiàng)技術(shù)不夠精準(zhǔn)，使用起來也相當(dāng)耗時(shí)，無(wú)法提供實(shí)時(shí)反饋，這就容易造成掃描數(shù)據(jù)的丟失。
此外，三維掃描還能提供線性測(cè)量，而攝影測(cè)量更容易失真。這是因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)很大程度上依賴于圖像質(zhì)量，而圖像質(zhì)量會(huì)受到相機(jī)分辨率、運(yùn)動(dòng)模糊等諸多因素的影響。我們后面也會(huì)提到，準(zhǔn)確度是創(chuàng)建實(shí)用數(shù)字孿生的重要前提，而這種偏差確實(shí)導(dǎo)致攝影測(cè)量技術(shù)難以用于數(shù)字孿生。
要點(diǎn)
三維掃描為制造商帶來了更快、更多樣的方式，來為產(chǎn)品和設(shè)備進(jìn)行精準(zhǔn)數(shù)字化。
相比之下，LiDAR激光掃描仍然是測(cè)量領(lǐng)域中廣受歡迎、高度精準(zhǔn)的大型結(jié)構(gòu)建模方式。手持式三維掃描儀用途廣泛，有些自帶內(nèi)置屏顯，能讓您邊掃描邊檢查掃描數(shù)據(jù)。這些設(shè)備十分有效，掃描結(jié)果可作為創(chuàng)建CAD或BIM模型的基礎(chǔ)，完成數(shù)字孿生。
總體而言，三維掃描技術(shù)的進(jìn)步使之獨(dú)具魅力，成為獲得制造關(guān)鍵信息、加快創(chuàng)建數(shù)字孿生的得力工具。但是，如果您剛接觸這項(xiàng)技術(shù)，那么在首次購(gòu)買設(shè)備時(shí)，要考慮哪些差異化因素呢？下面，我們來詳細(xì)了解下有關(guān)方面。
Artec Ray II
如果您需要為大型區(qū)域制作數(shù)字孿生，例如為工廠、房屋內(nèi)部提供遠(yuǎn)程訪問，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(nèi)的表面，10米處的3D點(diǎn)位精度高達(dá)1.9毫米。加上內(nèi)置屏顯，該設(shè)備能減少掃描數(shù)據(jù)與工廠之間的偏差，使數(shù)字孿生符合應(yīng)用需求。
為真實(shí)再現(xiàn)設(shè)備細(xì)節(jié)，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(shù)據(jù)合并，該操作可在Artec Studio中完成。無(wú)論是新采集還是預(yù)處理的數(shù)據(jù)，該平臺(tái)都簡(jiǎn)化了點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)齊流程，以及整體聯(lián)合配準(zhǔn)過程，可建成分辨率和精準(zhǔn)度高的3D模型。
埃太科三維的遠(yuǎn)距Ray II三維掃描儀
這一過程與行業(yè)無(wú)關(guān)，因此，可能是為堆滿機(jī)器的車間、倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行數(shù)字化，但無(wú)論任何場(chǎng)景，這項(xiàng)優(yōu)勢(shì)都是顯而易見的。實(shí)時(shí)追蹤生產(chǎn)性能也便于盡早發(fā)現(xiàn)并解決瓶頸問題，無(wú)論這些問題是由設(shè)計(jì)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(shù)字孿生，那么速度和靈活度可能更重要。AI驅(qū)動(dòng)的無(wú)線Artec Leo掃描儀同時(shí)滿足了這兩項(xiàng)要求，用戶能在HD模式下，以3500萬(wàn)點(diǎn)/秒的速度采集數(shù)據(jù)，同時(shí)通過5.5英寸顯示屏實(shí)時(shí)監(jiān)控掃描進(jìn)度。
Leo也不會(huì)因速度而犧牲分辨率，通過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(shù)字孿生的可靠工具，可高度復(fù)現(xiàn)產(chǎn)品的復(fù)雜部位。
Artec Leo和Ray II合并后為管網(wǎng)創(chuàng)建細(xì)節(jié)豐富的數(shù)字孿生模型
若資產(chǎn)很小，即可考慮采用Artec Micro完成數(shù)字化。該設(shè)備精度高達(dá)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(duì)于數(shù)字孿生的制作基礎(chǔ)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(shù)字孿生成為衡量生產(chǎn)性能的有效工具，首先需要以準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。這是因?yàn)槿魏五e(cuò)誤測(cè)量都有可能導(dǎo)致工作流程分析出現(xiàn)偏差。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在有幾款三維掃描儀的精度可以達(dá)到數(shù)字孿生模型的要求。
如果您需要為中小型物體制作數(shù)字孿生，結(jié)構(gòu)光三維掃描儀絕對(duì)是不二之選。在捕獲工業(yè)緊固件和閥門等更復(fù)雜的部件時(shí)，掃描效果可能更多取決于“尺寸公差”，即按設(shè)計(jì)運(yùn)作時(shí)可承受的偏差量。
Artec Space
Spider這類計(jì)量級(jí)三維掃描儀能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)，為微小、復(fù)雜的物體制作精準(zhǔn)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(shù)據(jù)處理
數(shù)字孿生另一個(gè)易被忽略的重要因素就是數(shù)據(jù)處理。掃描完成后，如何快速、輕松地處理生成的數(shù)據(jù)、并導(dǎo)出至其他平臺(tái)，這點(diǎn)對(duì)工作流程的效率而言至關(guān)重要。在實(shí)際操作中，這就意味著能夠在工業(yè)分析過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(shù)據(jù)。
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(tǒng)、面積，并將生成的3D網(wǎng)格直接導(dǎo)出至數(shù)字孿生平臺(tái)。
在使用三維掃描制作數(shù)字孿生時(shí)，還要注意這些平臺(tái)的使用難度。這時(shí)，Artec Studio就能體現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。軟件不僅可以把采集的數(shù)據(jù)再現(xiàn)成虛擬區(qū)域或產(chǎn)品，支持將文件以STEP和IGES格式導(dǎo)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(jī)形狀一鍵轉(zhuǎn)換為CAD模型
只需回答幾個(gè)簡(jiǎn)單問題，Artec Studio的自動(dòng)模式就能選定合適的算法來處理給定數(shù)據(jù)集。這有助于掃描新手快速掌握這項(xiàng)技術(shù)，自動(dòng)完成掃描到網(wǎng)格的流程。但同時(shí)，軟件也支持用戶自行調(diào)整設(shè)置，可處理多達(dá)5億個(gè)多邊形的數(shù)據(jù)集，幾乎涵蓋所有物體和區(qū)域。
如何創(chuàng)建數(shù)字孿生
因此，數(shù)字孿生既可以用龐大的數(shù)據(jù)集來構(gòu)建，也能基于真實(shí)區(qū)域或物體的三維掃描完成。那這些過程在實(shí)際操作中是怎樣的呢？數(shù)據(jù)集方式往往依賴于相關(guān)資產(chǎn)、企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）系統(tǒng)以及其他文件（如CAD設(shè)計(jì)草圖）所生成數(shù)據(jù)訓(xùn)練出來的算法。有了這些數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生就能發(fā)現(xiàn)輸入和輸出之間的關(guān)系，并利用這些發(fā)現(xiàn)來預(yù)測(cè)未來的生產(chǎn)情況。
相比之下，現(xiàn)實(shí)捕獲的數(shù)字孿生創(chuàng)建方式就更為簡(jiǎn)單明了。只需安裝Ray II這類三腳架掃描儀，就能自動(dòng)掃描工廠車間，也可以使用Leo這類手持式掃描儀，多角度快速捕獲中小型物體。如此，便能將任何物體或結(jié)構(gòu)輕松轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型，這是制作任何實(shí)用性數(shù)字孿生模型的先決條件。不過，若對(duì)應(yīng)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為大型戶外集裝箱創(chuàng)建數(shù)字孿生模型
在某些情況下，甚至可以結(jié)合使用兩種方式，各取所長(zhǎng)，完成混合數(shù)字孿生。選擇哪種數(shù)字化方法很大程度上取決于上文列出的對(duì)應(yīng)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(shù)據(jù)連接。
同樣，傳感器的連接位置也取決于您的應(yīng)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(shù)據(jù)輸入才能發(fā)揮作用。同樣，為充分利用數(shù)字孿生，如果您打算通過數(shù)據(jù)創(chuàng)建數(shù)字孿生，則可考慮添置分析和模擬程序，或考慮聘請(qǐng)數(shù)據(jù)專家。
數(shù)字孿生如何運(yùn)作？
數(shù)字孿生不僅需要其外觀和真實(shí)產(chǎn)品、系統(tǒng)、流程高度相似，還需要“行為”相似。這就需要將數(shù)字孿生與實(shí)物相連，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控并分析實(shí)物性能。
通過在產(chǎn)品關(guān)鍵部位連接傳感器或執(zhí)行器，就能在產(chǎn)品、數(shù)字孿生、現(xiàn)有制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）之間來回共享數(shù)據(jù)。這種持續(xù)不斷地信息流對(duì)制造商而言大有裨益，能幫助他們找到流程整改措施，監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行情況。
在產(chǎn)品開始批量生產(chǎn)之前，用戶還能利用數(shù)據(jù)流來評(píng)估產(chǎn)品在生產(chǎn)過程以及終端使用場(chǎng)景下的性能。通過這種方式，數(shù)字孿生用戶可以進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代，無(wú)需制作實(shí)物原型，這不僅能節(jié)省材料，還能讓產(chǎn)品盡快問世。
數(shù)字孿生與物聯(lián)網(wǎng)
說完數(shù)字孿生的工作原理，我們來看看使用它們有何好處。其中常見的一個(gè)應(yīng)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(shè)備。在制造領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)的趨勢(shì)早已興起，那究竟優(yōu)勢(shì)何在？
首先，整合工作流程可以實(shí)現(xiàn)更高程度的自動(dòng)化，尤其現(xiàn)在還有了AI的參與。這就減少了操作過程中所需的人力投入，從而提高了生產(chǎn)率，同時(shí)將錯(cuò)誤率降到很低，畢竟誤差會(huì)會(huì)對(duì)生產(chǎn)品質(zhì)造成影響。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)還能降低或提高產(chǎn)量，優(yōu)化資源利用率，更好地滿足客戶需求。
概念圖：數(shù)字孿生系統(tǒng)中，AI驅(qū)動(dòng)的機(jī)械實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化耕作
同時(shí)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，將特定設(shè)施中的每臺(tái)機(jī)器連接到物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中，將釋放出更多商機(jī)。隨著對(duì)人工操作依賴度的降低，全自動(dòng)熄燈工廠逐漸走紅。此外，由于有關(guān)消費(fèi)者偏好的信息越來越豐富，物聯(lián)網(wǎng)工作流程讓用戶得以快速利用新興趨勢(shì)。所有這些都預(yù)示著數(shù)字孿生市場(chǎng)潛力巨大。
要點(diǎn)
隨著數(shù)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(shù)字孿生軟件
這就是數(shù)字孿生的工作原理，但實(shí)踐中人們是如何開發(fā)利用的呢？下面我們來看些主流平臺(tái)如何幫助制造商將三維模型轉(zhuǎn)換為數(shù)字孿生，優(yōu)化相應(yīng)工作流程。
Oracle IoT資產(chǎn)監(jiān)控云服務(wù)
知名軟件開發(fā)商Oracle的數(shù)字孿生專用資產(chǎn)監(jiān)控云服務(wù)允許用戶密切監(jiān)控其資產(chǎn)利用率、位置和整體狀態(tài)。只要有一組數(shù)據(jù)集或3D模型，可用于創(chuàng)建數(shù)字孿生，就能開始使用這一平臺(tái)。支持JSON元數(shù)據(jù)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用戶上傳模型后，就能利用軟件來檢查、定位，也可以用“Explode”功能分解資產(chǎn)。隨后，即可一鍵將節(jié)點(diǎn)連接到子資產(chǎn)。不過，為了收集性能實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，必須在實(shí)物相關(guān)區(qū)域安裝傳感器。
Oracle表示，用戶可利用該程序創(chuàng)建各種類型的模型，包括虛擬孿生、預(yù)測(cè)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(shù)據(jù)模型，來對(duì)比觀測(cè)屬性和期望屬性間的匹配情況。用于叉車等車輛周圍時(shí)，可有效監(jiān)控剎車磨損、輪胎磨損、臂長(zhǎng)，確保設(shè)備性能。
另一方面，Oracle的預(yù)測(cè)孿生依靠機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)的分析和統(tǒng)計(jì)模型，能夠不斷適應(yīng)工廠現(xiàn)場(chǎng)不斷變化的環(huán)境。這意味著它們能利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控資產(chǎn)、系統(tǒng)、流程性能，識(shí)別趨勢(shì)和問題，找到解決方案，發(fā)現(xiàn)未來的維護(hù)需求。反過來，孿生投影幫助企業(yè)基于這些發(fā)現(xiàn)，引入補(bǔ)救措施，或在需要進(jìn)一步分析時(shí)，將它們導(dǎo)出至其他Oracle程序。
亞馬遜AWS IoT TwinMaker
也許一開始你很難把亞馬遜和工業(yè)制造聯(lián)系起來，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。AWS表示，通過其IoT TwinMaker平臺(tái)，用戶可以將現(xiàn)有3D模型和現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)結(jié)合起來，為工業(yè)設(shè)備乃至整條生產(chǎn)線創(chuàng)建數(shù)字孿生。
根據(jù)AWS的3D導(dǎo)入指南，人們可以將三維掃描平臺(tái)導(dǎo)出的OBJ等文件輕松轉(zhuǎn)換為兼容TwinMaker的GLTF。這種做法也有其他優(yōu)勢(shì)，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(shù)字孿生實(shí)例。圖源：亞馬遜AWS
用戶準(zhǔn)備好數(shù)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(nèi)置分析工具（包括西門子和Ansys等知名工業(yè)軟件開發(fā)商），來全面了解生產(chǎn)流程。Ansys出售自己的數(shù)字孿生創(chuàng)建工具，提供非常實(shí)用的軟件工具，用戶可以測(cè)試資產(chǎn)、系統(tǒng)和流程升級(jí)后的完整虛擬原型，而無(wú)需冒險(xiǎn)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(shù)字孿生軟件，不過，它的產(chǎn)品主要面向建筑行業(yè)。該品牌具備開發(fā)兼容建筑信息模型（BIM）的專有技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上推出了Autodesk Digital Twin，用戶可以匯總設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)和施工數(shù)據(jù)。如此，用戶便能更好地了解新基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建方式，做出更明智的決策，找到融入當(dāng)?shù)氐姆绞健?
例如，測(cè)量并降低風(fēng)險(xiǎn)，通過優(yōu)化資本支出提高投資回報(bào)率，或保證高效的設(shè)施維護(hù)。平臺(tái)可集成至Autodesk其他程序，意味著支持更多文件交叉兼容，加速了數(shù)字孿生的創(chuàng)建過程。
Autodesk Tandem上的磁電流量計(jì)。圖源：Autodesk
不斷積累和分析建筑數(shù)據(jù)必然可以幫助用戶改進(jìn)投資決策、預(yù)測(cè)規(guī)劃需求、推測(cè)故障，因?yàn)閿?shù)據(jù)掌握得越多，就越了解情況。當(dāng)然，這也適用于市場(chǎng)上其他程序，但在特別容易出現(xiàn)超支的建筑行業(yè)，這項(xiàng)優(yōu)勢(shì)格外突出。
要點(diǎn)
許多平臺(tái)兼容常用的三維掃描文件類型，這使得文件導(dǎo)出并創(chuàng)建數(shù)字孿生的流程變得更加容易。
數(shù)字孿生應(yīng)用場(chǎng)景
制造業(yè)
在所有應(yīng)用領(lǐng)域中，數(shù)字孿生在制造業(yè)的應(yīng)用廣泛，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)能用于提高車間性能、通過模擬保證產(chǎn)品質(zhì)量，并安排未來維護(hù)時(shí)間，減少停機(jī)時(shí)間。虛擬倉(cāng)儲(chǔ)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(shù)字化的高效手段。
數(shù)字孿生不僅可以作為數(shù)據(jù)收集的基礎(chǔ)，也可以為備件和產(chǎn)品創(chuàng)建數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)。這類數(shù)據(jù)庫(kù)可實(shí)現(xiàn)按需生產(chǎn)，無(wú)論是為滿足內(nèi)部維護(hù)需求還是突然增長(zhǎng)的客戶需求。提高數(shù)字化程度也能降低倉(cāng)儲(chǔ)成本，因?yàn)橹圃焐炭梢詼p少庫(kù)存。如此一來，這項(xiàng)技術(shù)就能帶來短期與長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)效益，也越來越受到制造商的青睞。
汽車
工業(yè)制造領(lǐng)域體現(xiàn)的諸多優(yōu)勢(shì)，在汽車領(lǐng)域也同樣存在。例如，在新型電動(dòng)汽車與自動(dòng)駕駛原型車全面投產(chǎn)前，這些設(shè)計(jì)都可以通過虛擬模擬進(jìn)行驗(yàn)證，可節(jié)省昂貴的試錯(cuò)成本。除此之外，這項(xiàng)技術(shù)也同樣為汽車行業(yè)帶來了獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
汽車生產(chǎn)線數(shù)字孿生。圖源：西門子
大多數(shù)汽車都是通過高度復(fù)雜的生產(chǎn)線制造的，需要多個(gè)機(jī)械臂共同執(zhí)行部件組裝、焊接、噴涂、噴漆等任務(wù)。有了數(shù)字孿生技術(shù)，就可以在生產(chǎn)流程開啟前，對(duì)部件如何組合進(jìn)行模擬，以此來優(yōu)化生產(chǎn)周期和生產(chǎn)率。這種孿生系統(tǒng)還有助于實(shí)現(xiàn)制造模塊化，便于汽車制造商更改系統(tǒng)行為，根據(jù)客戶需求定制限量款汽車。
此外，在終端性能方面，數(shù)字孿生使得制造商能夠測(cè)試車輛在實(shí)際條件下的表現(xiàn)。事實(shí)上，汽車巨頭雷諾已在正式投產(chǎn)前，對(duì)其公路用汽車進(jìn)行風(fēng)洞到碰撞的各種測(cè)試。因此，雷諾不需要冒任何風(fēng)險(xiǎn)，就能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力、空氣動(dòng)力學(xué)、齒輪情況等方面的表現(xiàn)有清晰了解。
航空航天
由于數(shù)字孿生開始是由美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）命名的，那么，這項(xiàng)技術(shù)在航空航天，尤其是研發(fā)領(lǐng)域得到持續(xù)的廣泛應(yīng)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(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)模擬，是防止關(guān)鍵故障和延長(zhǎng)飛機(jī)壽命的重要環(huán)節(jié)。數(shù)字孿生系統(tǒng)能根據(jù)歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)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(zhǎng)期以來一直使用國(guó)際空間站上真實(shí)組件的虛擬模型來診斷和修復(fù)軌道故障。這項(xiàng)技術(shù)還有增強(qiáng)衛(wèi)星的潛力，近年來，已成為一項(xiàng)深入研究的課題。隨著研發(fā)的推進(jìn)，人們認(rèn)為數(shù)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(yùn)行。這樣即可建立一個(gè)真正的綜合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用于電視、手機(jī)信號(hào)通訊、軍事防御協(xié)調(diào)等領(lǐng)域。
要點(diǎn)
“數(shù)字孿生”起源于航空航天領(lǐng)域，在衛(wèi)星集成技術(shù)上持續(xù)發(fā)力。
同樣在這一領(lǐng)域，NASA的混合現(xiàn)實(shí)培訓(xùn)計(jì)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(zhǔn)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(shù)字孿生，這些工具都將被帶去未來的太空任務(wù)中。這些設(shè)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(shè)計(jì)的工具（左）及其模擬環(huán)境下的數(shù)字孿生（右）。圖源：NASA
醫(yī)療衛(wèi)生
提到數(shù)字孿生，你可能不會(huì)第一個(gè)想到這個(gè)領(lǐng)域，但這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)開始在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在這一行業(yè)，這項(xiàng)技術(shù)被更多地應(yīng)用于流程改進(jìn)，而非優(yōu)化產(chǎn)品性能。醫(yī)院往往面臨著平衡救治能力、醫(yī)療資源、護(hù)理模式、患者安全的壓力，而數(shù)字孿生技術(shù)就能做到實(shí)時(shí)監(jiān)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，數(shù)字孿生技術(shù)有望用于人體建模，醫(yī)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(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，還有不少困難尚需掃除。要獲得建模所需數(shù)據(jù)，需要不斷進(jìn)行生理測(cè)試，而這種測(cè)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(yī)生加深對(duì)人體的了解。例如，在蒙彼利埃醫(yī)學(xué)院（Montpellier
Medical University），學(xué)生們正利用Artec Space
Spider創(chuàng)建的數(shù)字孿生VR模擬進(jìn)行培訓(xùn)。通過這些逼真的模型，學(xué)生無(wú)需使用昂貴又稀有的大體標(biāo)本就能進(jìn)行手術(shù)練習(xí)。而且，從這些項(xiàng)目中汲取的經(jīng)驗(yàn)，也有助于構(gòu)建完整的患者數(shù)字孿生體。
Guillaume
Captier教授正在與醫(yī)學(xué)培訓(xùn)中的數(shù)字孿生互動(dòng)
建筑
除了在制造業(yè)中創(chuàng)建數(shù)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(yuǎn)距設(shè)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(xiàng)目規(guī)劃人員能夠和建筑物實(shí)現(xiàn)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(shù)字孿生，以便獲得施工規(guī)劃的寶貴信息。
數(shù)字孿生能輕松集成至建筑工作流程，離不開數(shù)字孿生平臺(tái)與CAD、BIM模型強(qiáng)大的兼容能力，這些模型在建筑領(lǐng)域尤為常見。與產(chǎn)品制造一樣，您可以在結(jié)構(gòu)模型的不同區(qū)域安裝傳感器，來規(guī)劃供暖、通風(fēng)、空調(diào)（HVAC），并監(jiān)控建筑進(jìn)展。
數(shù)字孿生面臨的挑戰(zhàn)
盡管我們已在上文中提到了數(shù)字孿生在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)所面臨的挑戰(zhàn)，但這項(xiàng)技術(shù)是否還面臨著一些共性的挑戰(zhàn)，同樣值得我們思考。目前，數(shù)字孿生的難題在于不夠準(zhǔn)確，一旦模型和實(shí)物之間存在重大偏差，就會(huì)嚴(yán)重影響生成的數(shù)據(jù)和分析結(jié)果。
使用類似Space Spider這樣的高精度掃描儀，是確保計(jì)量級(jí)精度效果的重要方式，能增加數(shù)字孿生的成功幾率。結(jié)構(gòu)光和激光三維掃描技術(shù)還有助于解決數(shù)字孿生技術(shù)的另一個(gè)主要問題——成本。投資傳統(tǒng)成像技術(shù)和其他數(shù)字孿生基本設(shè)施，成本可高達(dá)100萬(wàn)美元。
Artec Space
Spider為復(fù)雜的金屬部件創(chuàng)建數(shù)字孿生
與此同時(shí)，Artec Eva輕便易購(gòu)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于100萬(wàn)美元，且用戶可以根據(jù)自身需要升級(jí)設(shè)備功能。
第二個(gè)問題就是缺乏數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。誠(chéng)然，構(gòu)建數(shù)字孿生需要大量數(shù)據(jù)，但并非所有數(shù)據(jù)都能輕松獲取，且數(shù)據(jù)格式可能各不相同。同樣，孿生系統(tǒng)也會(huì)因應(yīng)用場(chǎng)景不同、數(shù)據(jù)收集點(diǎn)之間相距多遠(yuǎn)等因素，體現(xiàn)出參差不齊的效果。
這些因素使得我們難以判定數(shù)字孿生的優(yōu)勢(shì)。但是，有了Artec Studio這樣的平臺(tái)，您至少可以享受自動(dòng)處理模型數(shù)據(jù)的功能，簡(jiǎn)化并加快數(shù)據(jù)捕獲，隨后再將模型以常用格式導(dǎo)出。
要點(diǎn)
三維掃描技術(shù)的進(jìn)步不斷加快數(shù)字孿生的創(chuàng)建速度，并推動(dòng)它們?cè)诟餍懈鳂I(yè)中的應(yīng)用。
數(shù)字孿生技術(shù)的未來
顯然，數(shù)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(guī)劃的現(xiàn)有做法。不過，數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)證明，它可以提高產(chǎn)量和可重復(fù)性，還能在更大范圍的規(guī)劃中提高流程效率，別忘了，這項(xiàng)技術(shù)還在持續(xù)不斷的研發(fā)過程中。
數(shù)字孿生的創(chuàng)建會(huì)變得越來越容易，功能越來越強(qiáng)大，它們可能很快就能主動(dòng)獲取數(shù)據(jù)，成為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)置的一部分。與此同時(shí)，三維掃描儀的功能也會(huì)繼續(xù)提升，用途更廣，更易購(gòu)得，進(jìn)一步擴(kuò)大各行各業(yè)的應(yīng)用范圍。在這種技術(shù)飛躍的推動(dòng)下，越來越多的跨國(guó)公司開始進(jìn)行數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)，諾基亞等電信巨頭也在尋求新的方法來提高覆蓋率，充分利用其掌握的海量數(shù)據(jù)。
除了工業(yè)應(yīng)用外，“數(shù)字孿生”一詞也被賦予了新的含義，不僅被用來描述產(chǎn)品的虛擬副本，也用來描述其他物體。元宇宙，人與企業(yè)共存的全新虛擬現(xiàn)實(shí)。盡管未來發(fā)展方向尚不明了，但隨著元宇宙概念的不斷推進(jìn)，人們對(duì)真實(shí)人物、地點(diǎn)、物體的數(shù)字化需求會(huì)進(jìn)一步增長(zhǎng)。屆時(shí)，元宇宙可能成為數(shù)字孿生技術(shù)的下一個(gè)新市場(chǎng)。
語(yǔ)言選擇
瀏覽量：407
