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來源:人民日報海外版
4月30日，在天津市濱海新區(qū)國家動漫園里的大型動作捕捉棚內，身著特定裝備的動捕演員（左）和同事在查看電腦生成的虛擬角色動作。新華社記者 趙子碩攝
在工廠園區(qū)，“虛擬工廠”向線下工程師反映工廠各個設備的情況，幫助工廠運維者“胸有成竹”地高效管理好實體工廠；在古城西安，數(shù)字方艙化身“科技守護者”，一系列數(shù)字技術的應用讓城墻保護有了一雙雙“智慧眼”；在“未來之城”雄安，物理城市與數(shù)字城市同步規(guī)劃、同步建設，匯聚城市數(shù)據(jù)、統(tǒng)籌管理運營的信息“中樞”加快打造……這些生動場景的實現(xiàn)，都離不開數(shù)字孿生技術。
數(shù)字孿生技術，是指通過建立三維數(shù)字化模型，打通物理世界和數(shù)字世界，實現(xiàn)虛實融合的復合技術。推動制造業(yè)數(shù)字化轉型、提升城市治理效能、助力文化遺產(chǎn)保護，從制造到消費，從生產(chǎn)到服務，從生活到生態(tài)，一個個數(shù)字孿生應用場景正在各行各業(yè)構建，“摸不著”的數(shù)字孿生，正在帶來“看得見”的經(jīng)濟效益。業(yè)內人士認為，隨著技術的不斷成熟和應用場景的持續(xù)探索拓寬，數(shù)字孿生技術將迎來新的發(fā)展機遇。
“虛擬工廠”和實體工廠同步運轉
近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息技術的發(fā)展，數(shù)字孿生技術在制造業(yè)中得到越來越多的應用，通過建立設備、工廠、產(chǎn)品的數(shù)字模型，企業(yè)能夠在虛擬環(huán)境中對其進行預測性維護、性能優(yōu)化和生產(chǎn)流程的實時調整，工廠精益生產(chǎn)、產(chǎn)線優(yōu)化能力進一步提升。
去年12月10日，在山東省青島市膠州市九龍街道上合示范區(qū)，隨著首臺超薄零嵌大冰箱的下線，海爾上合冰箱互聯(lián)一工廠正式宣布投入生產(chǎn)，這家工廠占地面積465畝，年產(chǎn)能200萬臺，是由海爾旗下卡奧斯孿生制造一體化平臺打造的數(shù)字孿生工廠。
“卡奧斯孿生制造一體化平臺將數(shù)字孿生技術應用到家電制造、打造‘虛擬工廠’中，通過工業(yè)屬性的AI、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等智能引擎，打通工廠設備資產(chǎn)和信息系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)脈絡，深入挖掘數(shù)據(jù)價值，運用孿生技術打造高保真、實時同步的虛擬實體，構建了虛擬技術全方面應用的數(shù)字孿生工廠?！笨▕W斯數(shù)字孿生團隊家電項目負責人張玥向本報介紹。
通過數(shù)字孿生技術，這座工廠自規(guī)劃到生產(chǎn)的每個階段都清晰可見，也就是說，有兩座工廠在同步晝夜不停地“運轉”，一座是線下的實體生產(chǎn)線，另一座是“云端”的“虛擬工廠”。
在工廠規(guī)劃階段，先造出一座“虛擬工廠”。通過孿生制造一體化平臺，把人、機、料、法、環(huán)全生產(chǎn)要素悉數(shù)轉化為數(shù)字化模型，連每一顆螺絲釘都精確無誤地映射至數(shù)字世界，從而構建出一個與實體工廠1:1還原的數(shù)字孿生工廠。在“虛擬工廠”中，精準模擬生產(chǎn)制造等環(huán)節(jié)，提供動態(tài)的生產(chǎn)過程視圖，支持“假設模擬驗證”，提前識別生產(chǎn)瓶頸和訂單組合效果，降低試錯成本，實現(xiàn)高效生產(chǎn)。
張玥說：“我們可以在‘虛擬工廠’中對每一個工廠方案先進行驗證，包括每一條產(chǎn)線如何改動、如何調整，先在虛擬環(huán)境中充分驗證、試錯后，再選擇一個投資最低、產(chǎn)出最高的方案進行‘落地’。經(jīng)過這些‘云端’實驗后，一旦數(shù)據(jù)能提供支撐，一個實體工廠建設方案就可以‘落地’，這樣，項目從開工就可以省去大量的驗證環(huán)節(jié)?！?/p>
在生產(chǎn)運營階段，通過一體化平臺，訂單數(shù)據(jù)實現(xiàn)了實時匯集，而這一切的關鍵，正是智能排程系統(tǒng)的運作。在數(shù)字孿生工廠中，借助先進的仿真預演技術模擬生產(chǎn)，利用智能排程算法，對生產(chǎn)計劃進行實時的動態(tài)調整，從而精確地分析和預測生產(chǎn)能力。這種基于數(shù)據(jù)驅動的決策方式，可以幫助企業(yè)精準把握生產(chǎn)進度、資源消耗以及質量狀況。同時，通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析，企業(yè)還可以找出資源使用的瓶頸和浪費點，發(fā)現(xiàn)潛在的問題，持續(xù)優(yōu)化生產(chǎn)過程。
在實際生產(chǎn)中，經(jīng)過仿真驗證的生產(chǎn)計劃可以無縫流轉到真實工廠，工人們手持的智能設備和工位上的工位屏能同步展示詳細的生產(chǎn)任務信息，并且將生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時反饋給數(shù)字孿生工廠，從而實現(xiàn)對生產(chǎn)過程全生命周期的全面監(jiān)控追溯和管理。
“云端”的數(shù)字孿生技術，正逐漸顯示出“看得見”的經(jīng)濟價值。
“憑借孿生制造一體化平臺的能力，工廠在建設階段時，通過布局規(guī)劃，發(fā)現(xiàn)管道等20多處干涉項，優(yōu)化建設成本，節(jié)約250萬元；在產(chǎn)線能力驗證和產(chǎn)能爬坡驗證階段，發(fā)現(xiàn)某工序的節(jié)拍慢，可能會堵塞生產(chǎn)，影響產(chǎn)能，經(jīng)優(yōu)化后產(chǎn)能爬坡時間縮短20%?！睆埆h說，孿生制造一體化平臺的出現(xiàn)，如同制造業(yè)的“超級大腦”，將虛擬生產(chǎn)與物理制造融合，使制造全生命周期的各個環(huán)節(jié)緊密相連，編織成一張無縫的網(wǎng)，充分釋放了生產(chǎn)潛能。
業(yè)內專家指出，數(shù)字孿生技術為行業(yè)的數(shù)字化轉型提供了強大的技術支撐，能夠有效解決行業(yè)痛點，助力企業(yè)降本增效、提質升級。工業(yè)和信息化部數(shù)據(jù)顯示，中國已連續(xù)三年實施智能制造試點示范行動，培育了421家國家級示范工廠、萬余家省級數(shù)字化車間和智能工廠，人工智能、數(shù)字孿生等技術在中國90%以上的示范工廠得到應用。
讓城市運行更“聰明”
哪條道路車流量比較大？地下管廊里有沒有異常？小區(qū)里的垃圾箱有沒有滿？在雄安新區(qū)，被稱為“雄安之眼”的城市計算中心，對城市的運行情況了如指掌。城市計算中心是雄安城市管理的智慧中樞，其電子屏上清晰地顯示著地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)、道路交通信息乃至整個雄安新區(qū)的城市運行數(shù)據(jù)。
雄安新區(qū)設立7年來，除了現(xiàn)實中正在建設的地上城市和地下城市外，還有一座云上的數(shù)字城市同生共長。如今，雄安城市計算中心、綜合數(shù)據(jù)平臺、雄安城市信息模型平臺、物聯(lián)網(wǎng)平臺和視頻一張網(wǎng)平臺“一中心四平臺”建設初具規(guī)模，初步構建起“云上一座城”。
在雄安新區(qū)的智慧城市建設中，數(shù)字孿生技術發(fā)揮著重要作用?！靶郯裁恳粭澖ㄖ?、每一片綠地在現(xiàn)實中的建設過程，都伴隨著其在數(shù)字世界中的精準映射。”雄安云網(wǎng)科技有限公司首席技術官袁曉東說，“通過模擬與預測優(yōu)化城市規(guī)劃，實時監(jiān)控基礎設施狀態(tài)，提升公共安全與交通管理效率，監(jiān)測環(huán)境并優(yōu)化能源使用，同時促進社會服務優(yōu)化和居民參與，助力雄安新區(qū)打造高效、綠色、智能的現(xiàn)代化城市?！?/p>
十幾個路口，一路綠燈，司機們在雄安新區(qū)的良好體驗，與智能交通的建設分不開。
2020年，5G車路協(xié)同示范應用項目成功申報國家發(fā)改委和工信部2020年新型基礎設施建設工程。自2020年12月開始，陸續(xù)在昝崗、雄東、容西和啟動區(qū)四個片區(qū)計約288公里道路開展數(shù)字基礎設施建設。
據(jù)介紹，數(shù)字道路基于互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術，實現(xiàn)對道路交通情況實時監(jiān)測，將交通資源按需分配，采用動態(tài)調度和交通控制技術進行流量調度，從而降低擁堵、提高通行效率。5G車路協(xié)同技術以“車—路—云”協(xié)同為基礎，構建集感知、通信、計算能力為一體的智能基礎設施環(huán)境，提升城市交通管理和服務水平，為城市的可持續(xù)發(fā)展注入新活力。
雄安居民的生活也因數(shù)字孿生城市的建設而變得更加便捷，從教育、醫(yī)療到社區(qū)服務，個性化、智能化的社會服務將成為常態(tài)。雄安一卡通實現(xiàn)在政務、人社、醫(yī)療、交通、文化、旅游、補貼發(fā)放等場景對接，打造“一卡通城、跨城互通”的服務網(wǎng)絡；多表集抄系統(tǒng)為新區(qū)12萬余戶近41萬塊水氣熱表具提供抄表、繳費服務，打造“水、氣、熱、電、訊、停車”一站式繳費，為居民提供便捷繳費服務；停車管理系統(tǒng)旨在打造統(tǒng)一的城市停車入口，全力推進交通數(shù)字化、停車智慧化，以數(shù)字城市力量便民利民。
“未來，雄安新區(qū)將更加依賴數(shù)字孿生城市這個虛擬的‘雙胞胎’來進行城市的精細化管理和前瞻性規(guī)劃?！睌?shù)字城市公司基礎設施智能化事業(yè)部數(shù)字道路項目負責人多亞軍介紹，“交通系統(tǒng)將實現(xiàn)全面智能化，車輛、行人、公共交通工具在數(shù)字孿生平臺的調度下高效流動，構建‘車路云一體化’的智能聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)新型基礎設施和數(shù)據(jù)共享環(huán)境，提供實時感知、瞬時響應的道路全要素感知數(shù)據(jù)?！?/p>
在城市水務領域，數(shù)字孿生技術同樣有著創(chuàng)新應用，通過數(shù)字技術賦能，共筑城市安瀾。
步入山東省青島市水務管理局的調度指揮中心，智慧水務的中樞——“青島智慧水務管理平臺”盡收眼底。平臺上，供排水、水旱災害防御等十大專題信息得以“一圖統(tǒng)覽”，河道水利的三維建模和數(shù)字孿生水網(wǎng)在線可視化，清晰呈現(xiàn)。“青島水務管理正邁向數(shù)字化、智能化的高效時代?！鼻鄭u市水務管理局辦公室信息化相關負責人牛勇說。
據(jù)介紹，這一平臺是由海爾集團旗下數(shù)字城市品牌海納云打造。針對水利水務業(yè)務復雜，信息難以全局統(tǒng)覽等情況，海納云融合數(shù)字孿生、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術，助力青島市構建集水工程調度、水資源管理、供排水管理、水行政監(jiān)管等功能于一體的水務業(yè)務網(wǎng)，建設“智慧水務一張圖”，實現(xiàn)數(shù)字信息全面獲取、水務要素全面集成、管理行為全面智能。通過數(shù)字孿生技術的應用，平臺在全面匯聚水庫水文數(shù)據(jù)基礎上，集成虛擬現(xiàn)實、水利專業(yè)模型、三維數(shù)字模型等信息技術，為水務管理提供了一種全面、立體、實時、直觀的監(jiān)測和管理手段，有效提升了水務管理的數(shù)字化、智能化水平。
據(jù)了解，自今年5月份投入試運行以來，該平臺實現(xiàn)對23座水庫、51個積水點、214處河道監(jiān)測點水情進行實時監(jiān)測預警，提升水旱災害應急處理工作效率；并對現(xiàn)有473座小型水庫、180余座水閘（橡膠壩）、約1330公里堤防工程及新建水利工程統(tǒng)一監(jiān)管，及時監(jiān)測各類水利設施運行動態(tài)。
新技術為古城墻做“CT”
一座座古建筑被精確掃描，生成高精度的數(shù)字模型；歷史的風韻與先進科技交相輝映，在數(shù)字世界煥發(fā)生機。近年來，數(shù)字孿生技術逐步走進文化遺產(chǎn)保護領域，創(chuàng)新使文物與建筑在數(shù)字空間得到新生，也為文化遺產(chǎn)的保護利用開拓了新視野。
當千年城垣邂逅數(shù)字科技，會是怎樣的情景？作為陜西西安的文化名片，西安城墻在數(shù)字化的幫助下，煥發(fā)多彩生機。
客流量浮動、監(jiān)測點位數(shù)據(jù)變化、AI風險預警……在西安城墻管委會信息中心，一個個詳細的實時數(shù)據(jù)每天都在大屏幕上滾動呈現(xiàn)。輕擊鼠標，虛實結合的數(shù)字“城墻”便出現(xiàn)在人們眼前，從外部的磚瓦彩繪到內部的建筑結構，透過“數(shù)字方艙”超大屏端頁面，西安城墻的各種信息映入眼簾。這座“虛擬城墻”便是西安城墻數(shù)字方艙綜合管理平臺的一部分。近年來，西安城墻運用數(shù)字孿生、人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、地球物理等前沿技術，與高校、科研院所和骨干企業(yè)共建，打造了一套集文物保護、文旅運營、應急管理、防汛指揮等功能于一體的“文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護利用綜合解決方案”，實現(xiàn)了關鍵技術突破及文保文旅數(shù)據(jù)的融合共享。
“我們現(xiàn)有監(jiān)測點位8000余處，做到了墻體、古建筑、周邊水體、地鐵、游人行為等監(jiān)測全覆蓋?！蔽靼渤菈芪瘯ぷ魅藛T尚楚喬介紹，“傾角儀、梁式測斜儀、測縫計、沉降監(jiān)測點、水平位移監(jiān)測點等監(jiān)測設備及點位遍布城墻，對城墻墻體及附屬建構筑物的安全狀況進行監(jiān)測?！?/p>
高質量、高精度的模型數(shù)據(jù)讓西安城墻在數(shù)字世界“毫發(fā)畢現(xiàn)”?！拔覀儗?3.74公里的城墻整體、34棟重點建筑、18個城墻門洞及登城馬道構建了厘米級三維數(shù)據(jù)模型，對1000平方米的彩繪進行了毫米級建模?！蔽靼渤菈?shù)字產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心總監(jiān)趙彬表示，西安城墻數(shù)字孿生底座的搭建，為城墻歷史的永續(xù)保存、數(shù)字資產(chǎn)的衍生利用及數(shù)據(jù)可視化使用打好了基礎。
2023年，西安城墻管委會與蘭州大學聯(lián)動，運用宇宙射線繆子成像設備給城墻58號馬面做了一次“CT”體檢，這種無損探測的方式將城墻內部空洞的位置、形狀、大小清晰地呈現(xiàn)出來，為“對癥下藥”開展保護治理提供了重要支撐，也為大型文物古跡考古與保護提供了新思路?！斑@是一項重大技術突破創(chuàng)新?！壁w彬表示，“對城墻全域的‘CT’掃描，使得城墻內部結構在數(shù)字模型中清晰可見，便于我們實時掌握和分析城墻文物本體內外數(shù)據(jù)，做到文物保護心中有數(shù)?！?/p>
防汛也是城墻智慧化管理的一大亮點。通過視頻圖像采集，使用AI積水自動告警系統(tǒng)準確識別特定區(qū)域積水情況，實現(xiàn)人工智能積水識別。據(jù)介紹，以前，每逢降雨都要投入近百人進行全段巡邏和研判，以確保能夠在第一時間發(fā)現(xiàn)隱患，清除積水。通過人工智能積水識別后，不但能夠降低人力投入，還可在第一時間發(fā)現(xiàn)隱患點的準確位置，大大提高了工作效率。
“目前打造的這套系統(tǒng)，一方面是為了推進西安城墻保護管理數(shù)字化的進程，實現(xiàn)西安城墻在文物保護、文旅運營、防汛以及應急處置等方面的高質量管理；另一方面，也是希望在西安城墻的場景下，探索數(shù)字科技與文化遺產(chǎn)保護傳承的融合，實現(xiàn)對不可移動文物的科學化、精細化、系統(tǒng)化保護和管理?！壁w彬說。
如今，依托豐富的文化資源遺產(chǎn)及數(shù)字孿生相關科技領域的創(chuàng)新成功，西安城墻景區(qū)正在教育、科研領域推動文化遺產(chǎn)保護的資源共享。截至目前，西安城墻數(shù)字方艙綜合管理平臺已申報了20余個課題、大賽項目；與高校、科技型企業(yè)共建了“文保數(shù)據(jù)治理創(chuàng)新實驗室”“文化遺產(chǎn)數(shù)字場景應用創(chuàng)新實驗室”“文化遺產(chǎn)數(shù)字語橋創(chuàng)新實驗室”等項目，在產(chǎn)學研用的深度融合與協(xié)同創(chuàng)新中探索文化遺產(chǎn)的保護利用新路徑。（葉曉楠 張乾）
《人民日報海外版》（2024年10月15日 第05版）
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