NASA成功将人类宇航史上有可能发生的最大灾难(图)

数字双胞胎 (.) 似乎已经无处不在，成为各行各业数字化的灵丹妙药。 2016-2018年，数字孪生连续三年被列入十大战略性技术发展趋势。 2019 年，数字双胞胎被认为处于预期膨胀的高峰期，这将在未来五年内产生颠覆性创新。那么，数字孪生究竟是什么，是一种技术，还是一种理念，一种方法，还是一种应用模型？

一、数字孪生概念的提出

PLM（产品生命周期管理）概念模型最早是在2002年密歇根大学的一次讲座中提出的，其中出现了真实空间、虚拟空间、数据从真实空间到虚拟空间、虚拟空间到真实空间的流动信息流，以及虚拟子空间的表示。用后来的话来说，这个模型已经具备了数字孪生的所有元素，在他2006年的著作《：》中，它被称为信息镜像模型。

但当时，当教授提出物理产品虚拟数字测绘的想法，也就是今天大热的“数字孪生”概念的由来时，并没有得到业界的积极响应。十余年来，数字孪生受到了各个领域人们的热烈追捧，不仅在制造业，在智慧城市、智慧交通、智慧农业、智慧医疗、智能家居等各个行业也备受关注。

二、数字孪生技术的首次使用

2010 年流域数字孪生系统，NASA（美国国家航空航天局）首次在其空间技术路线图 (&:) 中引入了数字孪生这一表述。

为了更好地了解 NASA 的数字双胞胎，让我们回顾一下在登月飞行中发生的故事。 1970 年 4 月 14 日，宇宙飞船距离地球 210,000 英里时，生活舱中的氧气罐发生爆炸，严重损坏了主推进器并将氧气泄漏到太空中。每过一分钟，受损的航天器就会飞离地球 400 英里。如何让三名宇航员安全回家，成为未来三天半夜以继日工作的数千名 NASA 地面支持人员的唯一目标！最终，NASA 成功地将人类航天史上可能发生的最大灾难转变为令人兴奋的巨大成功。

这一切的关键在于，NASA 拥有一套完整且高水平的地面模拟系统，用于在所有任务操作中训练宇航员和任务控制员，包括各种故障场景。处理。模拟器是整个太空计划中技术最复杂的部分。在模拟训练中，除了机组人员、驾驶舱和任务控制台之外的所有东西都是由经验丰富的技术人员使用一堆计算机和公式创建的。

任务控制员和宇航员，考虑到航天器损坏、可用功率、剩余氧气、饮用水等因素，制定了前所未有的大胆返回计划，要点如下：重启指挥舱更改手动操作模式（节省宝贵的电力）；将登月舱用作救生艇（服务舱损坏且无电）；途中三个发动机点火变化（进入自由返回轨道）；航天器的人工导航和控制（导航电脑关机省电）流域数字孪生系统，节省宝贵的电力）。但这样的返乡模式将远远超出航天器设计的界限，从未实践过。一旦出现任何问题，宇航员就再也没有机会回家了。

地面任务控制中心调整模拟器以适应当前的异常配置，根据质量、重心、推力等参数对新飞船的主机进行重新编程；并与登月舱制造商的分工合作明确了新登陆的全过程；然后安排后备航天员在模拟器上进行操作演练，证明了方案的可行性，大大提高了任务管制员和航天员的信心。剩下的工作就是让航天员按照演练生成的操作指令表，100%执行。

每个人都钦佩宇航员和任务控制员在事故发生后的冷静，这是在模拟器上数万小时训练的结果。

NASA的成功应该归功于这些模拟器，或者说模拟器，可以说是数字孪生的实际例子，可以说是第一个数字孪生。事实上，模拟器在发布之前就发挥了关键作用。

三、数字孪生及其内涵

数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，整合多学科、多物理、多尺度、多概率仿真的全过程，在虚拟（ cyber) 空间，进而反映相应物理设备的整个生命周期过程。数字孪生实现了真实物理系统对网络空间数字模型的反馈。基于数字模型的各种模拟、分析、数据积累和探索，甚至人工智能的应用，都可以确保与真实物理相一致。系统的适用性。在数字孪生中，数据是基础，模型是核心，软件是载体。

数字孪生的内涵可以用“一个通用技术、两个孪生空间、三个技术要素、四个功能层次和五个典型特征”来表达。数字孪生是一种支持经济和社会数字化转型的使能技术。它综合运用感知、计算、建模等信息技术，通过软件定义对物理空间进行表达、诊断、预测和决策，从而实现物理空间和物理空间。网络空间的交互式绘图。

Level 1：表示，通过传感设备收集的数据，对物理实体的每个元素进行检查和动态表示。

第 2 级：诊断、分析历史数据并检查功能和性能变化的原因。

Level 3：预测，表示各种模式的关系，预测未来。

第 4 级：基于分析过去和预测未来的决策、指导行为。

四、数字孪生的典型应用

数字孪生是一种普遍适用的理论技术体系，可应用于产品设计、产品制造、工程建设、城市管理等领域。数字孪生是实际物理产品的数字表示。在设计和生产过程中，对模型的参数进行模拟分析，然后传输到产品定义的全3D几何模型，再传输到数字化生产线加工成真实的实物产品。数字化检测/测量系统反映在产品定义模型中，进而反馈到仿真分析模型中。生命周期全过程模型通过数字化链路集成，与实际智能制造系统、数字化测量检测系统、嵌入式信息物理融合系统（CPS）无缝集成同步，可以在这款数码产品上看到实际情况。实物产品可能出现的情况。

依靠数字链接（），所有数据模型可以双向通信，真实实物产品的状态和参数会通过与智能生产系统集成的CPS系统反馈给数字模型，所以即生命周期各个阶段的数字模型都会反馈给数字模型。对当前和未来的系统功能和性能进行一致、动态、实时的评估。数字纽带贯穿整个产品生命周期，尤其是产品设计、生产、运维的无缝集成。

数字孪生场景的典型应用：

数字化设计：数字孪生+产品创新。数字孪生技术打造产品设计的数字孪生，在网络空间进行系统仿真，实现反馈设计、迭代创新和持续优化。目前，在汽车、船舶、航空航天、精密装备制造等领域，普遍开展了样机设计、工艺设计、工程设计、数字样机等形式的数字化设计实践。

虚拟工厂：数字双胞胎 + 整个制造过程的监督。创建虚拟车间和数字工厂，在网络空间映射物理空间，促进物理实体和数字虚拟体之间的数据双向动态交互，根据网络空间变化及时调整生产流程，优化生产参数，提高生产效率.

设备预测性维护：数字孪生 + 设备管理。开发设计设备的数字孪生体，并与物理实体同步交付，实现设备全生命周期的数字化管理。同时，依托现场数据采集和数字孪生分析，提供产品故障分析、寿命预测、远程管理等增值服务，提升用户体验。降低运维成本，增强企业核心竞争力。

智慧城市：数字孪生+城市运营管理。构建城市数字孪生，以量与质相结合的形式，演练数字世界中天气环境、基础设施、人口、土地、产业交通等要素的交互运行，绘制“城市画像”，支持决策在物理世界中实现城市规划 城市治理“一图”、“一盘”、“一盘棋”的综合效益优化布局。

智能医疗：数字孪生+医疗服务。将数字孪生与医疗服务相结合，实现对人体运行机制和医疗设备的动态监测、仿真和模拟，加快科研创新向临床实践转化，提高医疗诊断效率，优化医疗质量控制和监管设备。