贾维斯内置钢铁战甲的数字化虚拟模型能实时追踪(图)

5月26日，与会人员在2021中国国际大数据产业博览会上了解智慧城市治理中心

所谓“数字孪生”是由物理实体、虚拟实体、孪生数据、服务和交互连接五部分组成的系统或复合体。

陶飞张晨元

一提到“双胞胎”这个词，人们总会想到一对长相相似的双胞胎。但面对“数字孪生”这个概念，大家可能会觉得很陌生。其实如果你看过《钢铁侠》这部电影，就可以很好地理解数字孪生的概念。

《钢铁侠》中的“数字孪生”英雄

《钢铁侠》的主人公托尼·斯塔克利用先进技术为自己打造了一套钢铁盔甲。身穿盔甲的托尼是无敌的。不过，除了配备微型核电站和各种先进武器的酷炫装甲外，智能系统贾维斯也功不可没。 内置钢甲数字虚拟模型，可以实时追踪钢甲状态，并通过头盔上的显示屏将盔甲状态可视化，让托尼及时掌握钢甲的伤害情况。钢甲及时。做出适当的运营决策。同时，还可以根据装甲状态和战况提供目标瞄准、信息跟踪、能量预警等作战辅助功能。可以说，托尼的每一次胜利，都离不开贾维斯的帮助。

在钢铁侠中，钢铁侠和贾维斯拥有数字孪生系统的五个核心元素。托尼的钢甲是一种客观存在的物理实体，具有实战执行的功能。 内置的装甲模型是一个虚拟实体对应一个物理实体，通常称为数字孪生模型或数字孪生。钢铁装甲的损伤程度、飞行速度、剩余能量等数据，以及贾维斯对导弹的弹道预测、机甲的性能评估、从托尼那里得到的指令，统称为孪生数据。 通过分析、处理和挖掘孪生数据，提供作战建议、飞行轨迹规划和能量预警等作战辅助服务。这些服务功能以决策数据、图表、分析曲线等形式呈现，学界称之为服务或应用。 与 Iron 之间的实时通信和双向交互连接，使 能够实时掌握 的运行状态，并实时控制 的飞行系统和武器系统。

所谓“数字孪生”是由物理实体、虚拟实体、孪生数据、服务和交互连接五部分组成的系统或复合体。数字孪生技术是基于模型与数据双驱、虚实闭环交互。它可以应用于单元级、系统级和复杂系统级对象的多个层次。它可以用来监控物理实体的变化，模拟物理实体的行为，评估物理实体。状态，预测物理实体未来趋势，提升物理实体性能，优化物理实体运行，同步控制物理实体。

数字经济的世界很广阔

数字经济作为以数据为核心要素的新型经济形态，正在成为推动经济高质量、高效、可持续发展的重要动力。在 COVID-19 大流行期间，数字经济显示出巨大的活力和韧性。

在中国疫情最严重的时期，由于疫情防控需要，人员流动受到限制，传统零售业受到明显冲击。根据国家统计局公布的数据，2020年1-2月，社会消费品零售总额名义同比下降20.5%（实际下降2 3.7% 扣除价格因素）。下降 17.6%。商品零售的主要经营模式是线下交易，容易受到疫情、天气等不确定因素的影响。

如果建立线下零售产品的数字孪生模型并在网上商店进行展示和销售，客户不仅可以通过产品的数字孪生模型直观地了解产品的组成和核心参数，还可以在home 在虚拟体验平台上试用产品，学习如何使用和维护产品，最后使用在线支付完成交易，收到送货上门的产品。这种基于数字孪生的线上零售模式，不仅方便了客户，还有效结合了线下零售、物流快递、线上支付等各行业的优势，更有效地规避了不确定因素的负面影响。同时，商家还可以收集大量的客户喜好数据和产品售后数据，进行统计分析，为后续产品的改进和升级提供参考。

以零售行业为例，数字孪生利用商品的数字孪生将传统的线下销售转移到线上。在获取大量用户数据和商品数据的基础上，充分挖掘数据的潜在价值，形成商品信息可视化、客户需求分析、商品缺陷分析等一系列服务，最终反馈到商品优化过程，形成闭环迭代优化运行模式，促进数字经济与实体经济的融合。

实现行业的数字化转型

随着科技的飞速发展，人民生活水平的不断提高，商业模式的不断变革数字孪生价值，行业竞争的加剧，用户需求的日益苛刻和个性化，传统行业迫切需要用数字化转型寻找新的增长机会和发展模式。

如果建立了数字孪生工厂，并且实际工厂通过工业数据总线连接到其数字孪生模型，工厂经理可以通过计算机中的工厂数字孪生模型掌握物理工厂的当前状态。世界。巡检人员可以戴上虚拟现实头盔，在远离危险的办公室排查设备故障，甚至可以通过“透视”服务进行监视。高温上千摄氏度的加热炉内是否有焦化现象。

另外，过去让人头疼的调度任务，现在可以交给自动调度服务了。自动化排产服务可以基于制造大数据生成最优排产计划，直接对实际设备进行调度和控制，不仅可以大大降低人的脑力和体力劳动强度，而且可以显着提高生产安全性和效率。 .

数字孪生不仅可以用于工厂，还可以用于核电站。为保障核电站安全运行，相关设备设施需要定期人工维护。一旦发生事故，泄漏的核辐射将严重危及维修人员的生命安全。而数字孪生核电站可以大大降低发生此类悲剧的可能性。

首先，技术人员可以通过相关设备设施的数字孪生远程了解核电站相关设备设施的具体性能退化情况，及时更换相关设备部件；预测服务还可以根据设备运行数据进行故障预测，使相关设备在故障发生前得到及时维护和维护；最后，在人工维护之前，技术人员可以对核电站的数字孪生模型进行多次演练，做到心知肚明，从而大大降低人工误操作的可能性。

人造卫星是发射最广泛、使用最广泛的航天器。人类的科学研究、天气预报、资源勘探、导航和通讯都离不开它。航天器功能多样，结构复杂，长期在恶劣的太空环境中运行。及时预测卫星可能发生的故障，防患于未然，对保障卫星运行安全具有重要意义。但地面操作人员距离在轨卫星较远，难以掌握在轨卫星的运行状态。

对此，科学家提出可以利用信息技术在虚拟世界中“克隆”出与实际卫星外观、功能相似、行为一致的数字虚拟卫星，并采用传感技术和通信技术。将实际卫星与实际卫星连接起来。虚拟卫星之间直接建立了可以相互传输数据的通道。当实际卫星发射入轨时，留在地面计算机中的虚拟卫星可以接收到在轨卫星感知到的环境数据和运行数据，然后显示与实时数据驱动的在轨卫星相同的运行情况。状态、操作过程和操作结果。操作人员只需在计算机上对虚拟卫星进行监控，即可全面、直观地掌握卫星在轨状态，并利用预测算法实现对在轨卫星的故障预测，并进行故障排除在虚拟卫星上进行实验，会成功实验方案通过数据交换通道发送到在轨卫星，最终排除在轨卫星的故障。

此外，油气、农业、建筑等领域也相继进行了数字孪生应用探索，以利用数字孪生的力量实现自身的数字化转型。

为日常生活增添科技翅膀

人们常常幻想我们居住的城市不再被突如其来的暴雨淹没，交通不再拥堵，交通事故不再频繁，甚至可以预知未演变成疾病的健康问题。或许，这些都不是人类的错觉，曾经的不可能已经逐渐变成了现实。

城市排水管网数字孪生可基于排水管网数字孪生模型和排水系统运行数据数字孪生价值，提供排水系统运维管理、管网更新、应急预案推演等服务。暴雨来临前，相关人员可根据排水管网数字孪生模型进行应急排水任务演练，为即将到来的暴雨做好充分准备。在突发暴雨情况下，数字孪生城市排水管网可以实时获取各排水管道中的水位、水流量等数据，并据此合理调度城市排水系统并尽量平衡城市各个区域的排水压力。 暴雨过后，相关部门可以根据排水系统的历史数据，详细回顾暴雨期间排水系统运行过程的细节，进而调整和完善其不足之处。

交通拥堵和交通事故是人们在旅行时不希望发生的事情。如果为每辆汽车建立一个数字孪生模型，让汽车能够掌握自己的状态和位置信息，基于大量的行驶数据和维护数据，汽车可以预测它何时何地可能发生故障，并避免它通过提前进行维护。问题。此外，如果在汽车上增加感知道路和行人的传感器，并为每辆汽车安装一个通信模块，实现车辆之间的信息互联，数字孪生汽车甚至可以提供自动驾驶服务，基于多车可避免同步启停服务。拥堵，基于避开行人和避开车辆以避免交通事故。

生老病死是每个人都会有的经历，但如果人们能够提前预知疾病的发生并进行预防，那将大大提高人类的生活质量。目前，科学家已计划开展构建人体数字孪生模型的研究，以期准确再现人体的一系列生理功能，为探索疾病演化规律和预测疾病提供依据。 .

同时，人体数字孪生模型还可以支持药物实验和手术实验，帮助医务工作者更高效地寻找各种疑难杂症的解决方案，从而提高临床诊断和预后能力。也许在不久的将来，人们将能够为所有新生婴儿创造独特的数字双胞胎。随着婴儿的成长，相应的数字双胞胎也会成长并陪伴人们一生。这些数字双胞胎可以准确预测每个人可能发生的疾病，并为全人类提供量身定制的预防和​​治疗方案。

（陶飞，北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院教授，​​教育部长江学者特聘教授；张晨元，北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院博士生大学）

来源：环球杂志第 12 期，2021 年 6 月 16 日

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