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數字孿生在世界著名企業中的應用實踐

2025China.cn   2021年05月20日

  數字孿生是在軟件定義作用下,長期的要素數字化所形成的結果。此處要素泛指物理世界的各種人、機、物、數據、圖文、語言、物理信息等各種實體要素。因此數字孿生是一種經過長期發展形成的數字化通用技術。

  數字孿生一詞據稱是由邁克爾·格里夫(Michael Grieves)教授于2003年在密歇根大學執教時提出。目前尚無業界公認的數字孿生標準定義,概念在不斷發展與演變中。

  數字孿生概念被提出后,很快被美國國防部應用于航空航天飛行器的健康維護與保障。德國西門子、法國達索、美國通用電氣、美國參數技術等公司也積極跟進,特別是近些年,隨著智能制造等概念的推進,數字孿生已成為智能制造的通用技術,在軍工制造、高端裝備等很多行業得到廣泛應用。

  今天我們分享數字孿生在西門子等世界知名制造業企業中的應用,希望能給你帶來一些啟發。

  「 1. 西門子的數字孿生實踐 」

  西門子公司緊跟德國工業4.0和智能制造的發展趨勢,近年來高度重視數字孿生技術的研究與應用探索,通過最近兩年時間的研發,已經把數字孿生融入到其數字化戰略中去,并深入到解決方案中。2017年底,正式發布了完整的數字孿生應用模型,在西門子的數字孿生體應用模型中包括:

  (1)數字孿生產品(digital twin product),可以使用數字孿生進行有效的新產品設計;

  (2)數字孿生生產(digital twin production),在制造和生產規劃中使用數字孿生;

  (3)數字孿生體績效(digital twin performance),使用數字孿生捕獲、分析和踐行操作數據,從而形成了一個完整的解決方案體系,并把西門子現有的產品及系統包攬其中,例如Teamcenter、PLM等。

  在車輛領域,西門子通過數字孿生將現實世界和虛擬世界無縫融合,通過產品的數字孿生,制造商可以對產品進行數字化設計、仿真和驗證,包括機械以及其他物理特性,并且將電器和電子系統一體化集成,如圖1所示。新的技術提供了新的汽車設計與制造模式,基于數字孿生制造商能夠規劃和驗證生產過程、創造工廠布局、選擇生產設備并且仿真與預測,并優化人員和制造過程的工作條件。在自動生成可編輯控制器的代碼后,通過虛擬調試技術,即可字虛擬環境中驗證自動化系統,從而實現快速高效的現場調試。隨后,利用虛擬世界來控制物理世界,將可編輯控制器代碼下載到車間的設備中,通過全集成自動化,可實現高效可靠生產;通過制造運營管理系統,可實現生產排成和生產執行及質量檢測;通過Mindsphere可隨時監控所有機器設備,構建生產和產品及性能的數字孿生,實現對實際生產的分析與評估(圖2)。此外,通過物理世界可持續反饋至產品和生產的數字孿生,可實現了現實世界中生產和產品的不斷改進,縮短產品設計優化的周期。

圖1 西門子車輛數字孿生

圖2 基于Mindsphere平臺的西門子數字孿生

  我們大多數人認為呼吸是理所當然的,每天呼吸大約17000~23000次。目前,一些感染了COVID-19的患者在呼吸方面存在重大問題,并且難以維持生命。具有超過25000種的呼吸產品Vyaire Medical公司是醫療技術領域的全球市場領導者,能夠提供用于診斷、治療和監測生命各個階段呼吸狀況的服務。該公司利用西門子提供的技術支持,即使用Simcenter開發其產品的數字孿生,從而通過消除構建和測試物理原型的耗時過程來顯著減少開發時間。在開發新產品的早期階段,能夠在仿真內部進行工作,而不是構建昂貴的物理原型,從而實現了縮短了時間周期并加快了工作進度的應用效果。

  此外,西門子在風力渦輪機方面也開展了相關應用。當風力渦輪機或風力發電場開始運行時,會生成其他數據。記錄與分析并返回操作性能數據,以作為反饋支持產品、運行過程的優化和風力渦輪機的優化等方面。基于數字孿生的特性能夠提高工程效率、縮短上市時間、簡化調試、優化流程并改善服務,其優勢具體包含以下3個方面:

  (1)數字孿生模型支持開始批量生產之前進行數字化設計并測試風能設備。風力渦輪機的數字孿生還可以在調試之前對關鍵階段進行仿真,從而確保安全實施。此外,維修人員還可以在實際調試之前進行虛擬培訓。

  (2)數字孿生指導風力渦輪機的運行。因數字孿生能夠連續記錄運行和性能數據,并對該數據進行全面分析,從而可支持以可持續的方式優化風力發電機的生產和性能。

  (3)數字孿生輔助設備維護和保養。為了確保最大程度地利用維護間隔,即維護時間不能過早,但同時也不能過晚,從而以避免任何計劃外的停機時間,這樣可以將停機時間降至最低。維護后或由于更換組件而對風力發電廠所做的更改直接記錄在系統中,所有有關系統狀況的文檔始終保持最新的狀態。

  「 2. ANSYS的數字孿生實踐 」

  如圖3所示,ANSYS構建了泵的數字孿生,首先在泵上布置了加速度計、壓力傳感器、流量計等傳感器,與控制器采集的數據共同支撐泵數字孿生模型的構建,基于模型的動態交互等特點可提供實時檢測與修復模擬等服務,通過泵的數字孿生有助于更好地理解和優化產品性能,并輔助故障檢測與個性化維修指導。例如,通過泵的數字孿生模型發現了對某異常振動的根本原因的分析,即壓力下降導致氣蝕形成氣泡,產生振動。[5]

圖3 ANSYS構建的泵數字孿生

  ANSYS還將數字孿生應用于油氣行業提供設備運維管理等服務。[6]石油和天然氣行業一直在尋找降低能源生產成本的方法。為了實現此目標,油氣行業可以將數字孿生應用于油氣行業中的各種工業設備上。該行業可以基于數字孿生進行管道的實時監測,并使用數字孿生模型來預測腐蝕,腐蝕,屈曲和疲勞將如何影響實際資產。此外,這些數據可用于優化未來設計、預測維護周期、防止泄漏、減少停機時間并提高吞吐量。

  「 3. 達索的數字孿生實踐 」

  達索進行了一個項目“生命心臟項目”(LHP)[7],以通過生物技術傳感器和掃描技術為人類心臟建立數字孿生。數字孿生是具有電和肌肉特性的心臟的個性化全尺寸模型,可以模擬真實心臟的行為。它不僅可以支持各種操作,例如貼緊心臟起搏器,反轉腔室,切割任何橫截面以及運行假設,而且還可以對心臟進行虛擬分析,以便在疾病開始之前為心臟病患者提供護理。

  此外,達索還開展了數字孿生城市的應用探索。[8]新加坡政府正在以3D形式構建城市的數字孿生,以供設計師,規劃師和決策者探索未來。首次,真實世界的3D虛擬表示使官員更容易“解釋和交流”,因為“3D是自然語言”。其次,官員可以鳥瞰城市,也可以選擇放大區域的特定特征。在最廣泛的層面上,虛擬新加坡將顯示實際建筑物的地形,形狀和位置,這對于洪水分析非常有用。此外,規劃人員還可以獲取建筑物的詳細視圖,包括紋理,屋頂和窗戶,以進行諸如規劃太陽能電池板屋頂或緊急疏散路線之類的事情。單擊建筑物可以顯示其消耗的電量。他們可以走到行人的高度,查看陰影通道的可及性,交通和可用性。新加坡的城市數字孿生擁有豐富的數據,包括關于交通信號燈和公交車站等位置的靜態數據,以及諸如公交車位置和登革熱簇等傳感器的動態數據,此外還有有關人們行為方式的數據,例如有多少人進出公交車,從而實現對交通的優化。該數字孿生城市平臺還將用于更長期的計劃和決策。例如,新加坡人口老齡化將要求對基礎設施進行重大更改。未來公民和企業也可以訪問虛擬的新加坡,例如,公司可以使用虛擬新加坡測試無人駕駛汽車,而無需將其放置在交通繁忙的道路上。

  「 4. PTC的數字孿生實踐 」

  PTC曾將數字孿生應用于自行車上。該自行車的數字孿生可以實時監控自行車的性能。此外,當自行車騎行并且其組成部件移動時,虛擬空間的自行車數字孿生模型也會同步移動,該原型的開發涉及三個主要步驟。第一步是組裝帶有零件的自行車;第二步是在這些組件和PTC的Thingworx IoT平臺之間創建通信鏈接。第三步是將Thingworx輸入連接到儀表板風格的界面,并以有意義的自行車性能信息的形式為用戶提供了來自傳感器的數據流的實時視圖。該數字孿生能夠通過分析現實世界中的產品使用情況和狀況數據,以告知功能和功能需求,從而更好地適應市場并提供增值服務。此外,對于產品的設計也提供了數字的支持。

  T-Systems是全球領先的信息和通信技術提供商之一。隨著基礎架構的老化,T-Systems在客戶端面臨的最大挑戰是數字轉換。PTC與其合作創建了T-Systems數字孿生模型,在汽車行業中有效地設計和監控剎車片。在ThingWorx中收集和可視化現實數據,在Windchill PLM系統中,將這些實際數據鏈接到產品數據。通過利用PTC技術,T-Systems可以收集實時數據,并以有意義的方式反饋給客戶。

  「 5. 微軟的數字孿生實踐 」

  微軟將Azure Digital Twins作為一個IoT平臺[11],可對環境的全面數字模型的構建賦能,其目標對象包括建筑物、工廠、能源網絡,甚至是整個城市。通過構建數字孿生模型,以達到驅動更好的產品生產、優化操作流程、減少成本費用與提高客戶體驗等目的。Azure Digital Twins具有如下幾方面的功能,使得Azure Digital Twins可實現從數據獲取、數字孿生體建模、數字孿生體的實時表示,到孿生數據存儲與分析的全流程業務。

  (1)使用開放式語言構建數字孿生模型。在Azure Digital Twin中,使用“模型”將物理環境中的人、空間、事件等因素映射到相應的數字實體,并使用開放式的建模語言數字孿生定義語言(digital twins definition language, DTDL)進行模型的構建,其可以從狀態屬性、遙測事件、組件及關系等各方面進模型進行描述。在Azure Digital Twins模型構建中,可以使用模型繼承的方法來構建新的模型,從而提高構建模型的效率與通用性。

  (2)保障數字孿生體對其實體的實時表示。在Azure Digital Twin中,可通過數據處理與業務邏輯以實現數字孿生體對其相應實時的實時表示。在該功能中,Azure Digital Twin可通過連接外部計算資料以保障數據處理的能力,同時可利用查詢API實現對數字孿生體中各組分的屬性值、關系、模型信息等條件 ,以深入了解數字孿生體。

  (3)豐富的數據來源。Azure Digital Twins可接收來自IoT及業務系統的輸入作為驅動數字孿生體的數據。Azure Digital Twins可通過在其中新建IoT中心或將已有的IoT中心與可管理設備相連接,以實現IoT數據的接入;同時,Azure Digital Twins可通過相應的API接口或其它服務的連接器,實現從其它數據源中獲取數據以驅動數字孿生體的運行。

  (4)完整的數據存儲與處理服務提供。Azure Digital Twins可將數字孿生體中的數據傳遞到下游的Azure服務,以實現數據的存儲及進一步處理,如使用Azure Data Lake存儲數據,使用Azure Synapse Analytics或其它微軟數據分析工具對數據進行分析。

  「 6. 空客的數字孿生實踐 」

  空中客車公司(以下簡稱空客)在飛機組裝過程中使用數字孿生技術以提高自動化程度并減少交貨時間。

  在碳纖維增強基復合材料(carbon fibre-reinforced polymer, CFRP)機身結構的組裝過程中,因為CFRP組件的存在,在組裝過程中要求剩余應力不得超過特定值。為達到減小剩余應力的目的,空客開發了應用數字孿生技術的大型配件裝配系統,對裝配過程進行自動控制以減少剩余應力。該系統的數字孿生模型具有以下幾方面的特點:

  (1)建立數字孿生體的行為模型。在該裝配系統中創建的數字孿生模型不僅僅是相應實際零部件的三維CAD模型,同時基于裝備的傳感器,也對各組件的行為模型進行建模,包括組件的力學行為模型及形變行為模型。

  (2)建立不同層級的數字孿生體。在該裝配系統中,不僅對各組件建立相應的數字孿生體模型,同時對系統本身也建立了相應的數字孿生模型。系統本身的數字孿生體用于系統設計,為每個裝配過程提供預測性仿真。

  (3)虛實交互與孿生體的協調工作。在裝配過程中,多個定位單元均配備有傳感器、驅動器與控制器,各個定位單元在收集傳感器數據的同時,還需與相鄰的定位單元相配合。傳感器將獲得的待裝配體的形變數據與位置數據傳輸到定位單元的數字孿生體,孿生體通過對數據的處理以計算相應的校正位置,在有關剩余應力值的限制范圍內引導組件的裝配過程,如圖4所示。

圖4 各定位單元協同引導裝配過程

  「 7. 洛克希德馬丁的數字孿生實踐 」

  作為洛克希德·馬丁公司的第五代戰斗機,F-35戰機引入并融合了多項創新技術,其生產流程復雜,而且其供應鏈包括1400多個供應商(其中有80多個在美國以外)。為編排全球范圍內的供應鏈、提升質量降低成本,滿足交付要求,多項關鍵策略已被采取作為F-35戰機生產系統的一部分,其中也包括了數字孿生技術。在F-35的開發與生產過程中,分四個階段應用數字線程技術。[1]

  數字線程實施的第一個階段基于工程學生成、使用與重要精確的3D工程模型和2D工程圖。生成的3D模型與2D工程圖,以及已有部件的模型及已有相關分析數據會被納入通用產品生命周期管理系統中,以實現可訪問性和配置的集成。在設計、制造及維護過程中,3D模型大大降低工程設計與更改的成本,改善設施的開發與安裝過程。

  數字線程實施的第二階段將數字線程所構建的工程數據與多種自動化技術相結合,以支持工廠的自動化。

  數字線程實施的第三階段將數字線程直接提供給現場工作人員。基于數字線程,可以創建如工作指令圖形之類的產品,對現場工作的機械師或者維護人員進行指導,減少他們了解任務的時間;或者通過光學投影技術,直觀地將工作指令投影到飛機上,引導工作人員的動作并預示下一步的行動。

  數字線程實施的第四階段則是對已制造的產品進行驗證。通過使用先進的非接觸式度量技術,如激光掃描和結構化光技術,可以在產品的構建或制造過程的早期識別偏差并迅速糾正,通過阻止缺陷向下游移動來降低成本。

  通過與多種技術的結合使用,數字線程技術為F-35的生產系統帶來了諸多好處,如減少設計與開發的成本、提高制造過程中產品質量、減少人工裝配工作量等。

  「 8. GE公司 」

  幾十年來,通用電氣公司(GE)收集了大量資產設備(如航空發動機)的數據,通過數據挖掘分析,能夠預測可能發生的故障和時間,但無法確定故障發生的具體原因,為解決這一問題,GE近年來格外重視數字孿生技術的應用于探索,推出了全球第一個專為工業數據分析和開發的云服務平臺Predix。該平臺可連接工業設備,獲得設備全生命周期數據,同時將設備機理模型與數據挖掘分析相結合,提供實時服務支持。截止2018年已經擁有120萬個數字孿生體,可以處理30萬種不同的設備資產問題。

  GE認為,數字孿生體的構建必須將設備機理模型和數據驅動分析結合起來,過程極為復雜,對于普通用戶而言,通常不具備這種專業能力。GE將已有的大量資產設備數據和模型疊加,通過Predix平臺,提供了一個通用的數字孿生體模型目錄,包括多個工業數據分析模型以及超過300個資產和流程模型。這樣用戶就可以利用現有的通用模型進行模型構建、仿真、訓練,從而快速構建數字孿生體,并可在現場運行或在云端大規模運行,將模型推向使用端,然后再將它們產生的信息傳回云端。

  如圖1所示,以風力渦輪機為例,Predix提供的通用數字孿生體必須針對特定電廠的具體風力渦輪機進行定制。Predix中的風力渦輪機通用模型包含:具有材料和組件細節的PLM系統信息、3D幾何模型、可根據物理算法預測行為的仿真模型等。此外,該模型還包含維護服務日志、缺陷和解決方案詳情。一般這種機器工作壽命很久,需要承受極端的天氣狀況,而且與其他眾多渦輪機一起運行。因此,風力渦輪機案例的建模必須包括整個風電廠。每臺風力渦輪機大體相似,但其所處位置和條件(包括風向、尾流效應、維護記錄等)都不相同。根據不斷變化的風力條件來優化風力渦輪機,并在現場協調不同數字孿生體之間的相互作用,在無需對硬件設備進行較大改變的情況下,將風電廠的發電量提高了5%,充分說明了建立數字孿生體為風電廠所帶來的實質性的幫助與提升。

圖1 GE風力渦輪機的數字孿生

  另外,GE在航空發動機領域也引入了數字孿生技術。GE認為,從概念設計階段就開始建立航空發動機數字孿生體能更容易把設計過程和結構模型與運行數據聯系起來。反過來說,發動機數字孿生體也能幫助優化設計,縮短設計周期。目前,GE通過匯總設計、制造、運行和其他方面的數據,以及在物理層面對發動機的了解,結合積累的航空發動機全生命周期數據,建立能夠高保真刻畫具有多種行為特征的數字發動機孿生體模型,并向物理空間傳遞在特定場景下所呈現的行為信息,從而實現對航空發動機運維過程的精準監測、故障診斷、性能預測和控制優化。基于航空發動機運維過程的數字孿生體應用,GE還正式發布了預測性維修和維護產品——TrueChoice,幫助客戶優化全生命期內的所有成本。

  GE用實踐證明,傳統的仿真技術不再僅僅只是作為工程師設計更出色產品和降低物理測試成本的利器。通過打造數字孿生體,仿真技術的應用將擴展到各個運營領域,涵蓋產品的健康管理、遠程診斷、智能維護、共享服務等應用。未來,隨著數字孿生體概念變得更加普及,企業通過它能獲得的優勢將巨大無比。

  「 9. MapleSoft公司 」

  傳統上生產系統的調試大都是通過實物測試,難以提前發現設計中存在的缺陷,導致設計周期長、成本高、設計空間小等問題,尤其是在最初概念生成、有限元分析、計算流體動力學、原型生成、生產設計和生產方面的成本將成數倍增加。針對此問題,MapleSoft軟件公司開發了模型驅動的數字孿生產品MapleSim,可用于輔助產品設計的所有階段的虛擬調試與仿真,可以顯著降低開發新產品的風險。[2]

  MapleSim用于多領域復雜系統建模和仿真。[3]MapleSim提供圖形化的設計環境,只需要通過簡單直觀的鼠標操作,就可以完成各種復雜系統的建模。MapleSim使用了高級符號技術與高指數DAE求解器混合求解器,自動生成系統的“完全參數化的模型”,用于各種高級分析任務,以及實現高性能仿真和實時應用。圖2是MapleSim創建數字孿生的流程圖。

圖2 MapleSim創建數字孿生的流程圖

  知名采礦設備公司FLSmith在MapleSim中搭建了提升式徑向堆垛機的多領域動態模型,基于這一平臺和模型,為工程師提供了一個虛擬環境來評估系統的動態響應,以達到虛擬調試的效果,并研究其在不同條件下的動態響應,如操作人員行為、載荷分布和崎嶇地形。

  這款堆垛機的MapleSim虛擬模型由主框架、可伸縮框架、移動和被動履帶、懸掛組件、框架提升組件、調平液壓組件以及附加在主框架上的外部組件的質量組成。該模型具有以下特點:

  (1)模型中每個組件的位置和質量都是參數化的,可以修改,如果有需要可以添加更多組件;

  (2)部分組件設計成偏心的,用來影響主框架的重心,進而影響整個堆垛機的穩定性;

  (3)可擴展框架的擴展和收縮是按照用戶自定義的速率執行,用來表示影響系統動態的另一個因素;

  (4)整體模型除了包含主框架,還包括了可伸縮框架的運動、提升氣缸的運動、液壓系統的控制以及地形的影響。

  這一模型為FLSmidth的工程師提供了一個虛擬環境,可以應用多種方法來評估系統的動態響應,例如:

  (1)可以檢查滾輪等部件的最大載荷,以及在極端加速或減速(如執行緊急停車)情況下結構的最大擺動量;

  (2)可以用來檢查地形變化對此系統的影響——檢測此堆垛機可以安全跨越障礙物的最大高度,以及坑洼地段的最大深度,分析影響平衡的穩定性設計參數,如氣缸直徑;

  (3)可以檢查液壓系統的動力學,以及整個系統的重量分布,從而確定影響結構穩定的因素;

  (4)可以進行多種類型的深入分析,例如使用這一模型來評估整個堆垛機的子系統負載,用來驗證現有的設計,或者新設計的部件選型。

  FLSmidth堆垛機的MapleSim模型是完全參數化的,這使其能夠用于多種用途。[5]這一高保真刻畫現有堆垛機的梳理孿生模型。可以用于調查操作安全極限,測試設計變更,并驗證提出的改進方案,也可以配置成全新的方案設計,用于新設計早期研發階段的可行性評估,對于虛擬調試具有重要意義。

  「 10. Bentley的數字孿生 」

  Bentley軟件公司將數字孿生技術引入到公司開發的軟件工具和解決方案中。其提供的基礎設施工程數字孿生模型支持對基礎設施資產進行全生命周期可視化,跟蹤變更,并執行分析,從而優化資產性能。Bentley基礎設施數字孿生模型可將工程數據、實景數據和物聯網數據相結合,獲得基礎設施地上和地下的整體視圖。沉浸式可視化和分析可見性可幫助用戶更好地作出決策。

  比如,Bentley提供了iTwin Services Subscription工具,通過這個工具,可以兼容來自不同供應商的基礎設施模型和不同數據源,使得創建、可視化和分析數字孿生模型成為一件簡單的事。該工具首先將工程數據、實景數據和物聯網數據進行統一整合,然后基于構建的基礎設施三維可視化模型,為用戶提供三維/四維沉浸式體驗。該工具支持快速交付實時數字孿生模型,使用混合現實實現數據可視化,并可以利用人工智能和機器學習,讓決策者對數據產生新的認識。

  Bentley公司還提供了iTwin Design Review工具,提供了變革性的數字化解決方案,每個團隊成員都可以可視化并了解隨時間發生的變更,查看對設計產生的影響,并快速有效地做出響應。通過使用iTwin Design Review支持的協同工程和設計校審實現了正確的首次工程設計,通過優化變更管理和不同工程專業之間的無縫溝通,Bentley的數字孿生模型技術可以有效降低設計周期。

  「 11. 奇夢科技的數字孿生 」

  近年來,奇夢科技在數字孿生、仿真領域開展了眾多應用實踐,實現了較為成熟的數字孿生、工業級虛擬仿真和數字大腦的研發和應用。奇夢科技開發了“秀品牛”數字孿生PaaS平臺,為船舶、軍工、智慧城市、核電、制造等領域提供了相關工具、能力和資源等系列敏捷式孿生開發工具,具有智能監管、智能分析、智能決策等功能。

  在工業虛擬仿真方面,開發了基于生產關系與管理邏輯的神經網絡建模仿真工具,可以進行虛擬工廠三維可視化運行仿真,具備以下功能:

  (1)設備運行邏輯仿真,可以根據提供的設備邏輯關系,對設備運行機制進行仿真編程,并可以是每個設備的仿真運算與整體產線相連接,形成整體產線仿真系統;

  (2)產線/系統邏輯仿真,根據產線、系統運行的邏輯關系,建立神經網絡模型,通過實時數據的驅動,進行模擬仿真;

  (3)管理協同邏輯仿真,可以根據管理需求,從物料、人員、設備、生產效率、生產質量、能源消耗、成本把控等各個維度進行綜合協同;

  (4)邏輯運算自矯正等功能,可以根據不斷更新的實時數據,通過大數據分析,不斷修正原始的邏輯算法,使仿真結果與實際產線更接近。

  此外,在船舶與海洋領域,采用數字孿生技術服務于船舶制造、港口運維、海洋工程管理、船舶運維管理等方面。[9]首先,整合多源異構的數據,將來自于多方的成本、能耗、設備、人員、環境等數據,按照生產運行邏輯進行統一整合;其次,三維可視化監管,采用三維可視化數字沙盤模式,呈現實時運行數據,提高應用管理效率;再次,一站式綜合調度指揮平臺,協調調度各個生產運營要素,根據管理需求,通過智能化數據分析,從全局角度科學評估運營狀態。

  「 12. 51WORLD的數字孿生 」

  北京五一視界數字孿生科技股份有限公司(51WORLD)是一家數字孿生平臺公司,以原創全要素場景(AES)為基礎,融合物理模擬、工業仿真、人工智能、云計算等技術,重新定義數字孿生應用生態,幫助政府及企業進行新一輪數字化升級。51WORLD通過AES建立數字孿生平臺,實現多源時空數據融合,城市數字底座搭建,多元仿真模型模擬等應用價值。圍繞基于數字孿生的城市及園區生、規劃及產品營銷、設計及方案模擬驗證、AI仿真訓練及測試、模擬推演及預測等方面,已在城市、園區、交通、車輛、水務、港口、機場、地產等十多個行業等領域進行了應用實踐。

  51WORLD提出的數字孿生城市解決方案,如圖3所示,旨在實現城市、街道、建筑等的全要素表達,并打通城市管理的各類數據孤島,進而可以實施實時的運營管理、動態的城市更新以及突發事件的預案推演。目前51WORLD的數字孿生城市解決方案已經開展了數個落地應用,如安徽合肥天鵝湖智慧政務系統、京東數科雄安新區數字孿生平臺、南京市江北新區智慧城市指揮中心、安徽銅陵城市超腦等。

圖3 51WORLD智慧城市運維平臺

  同時,51WORLD在智能汽車領域也引入了數字孿生,開發了國內首款擁有自主知識產權的智能汽車虛擬仿真工具51Sim-One軟件平臺。[11]51Sim-One虛擬仿真工具應用于各類自動駕駛系統共性技術的研發,為智能決策控制、復雜環境感知、人機交互與共駕、車路協同與網絡通訊等提供了安全可控的全要素多層級的測試與評價技術支撐。同時,51Sim-One的仿真引擎已拓展服務于智慧城市交通系統、交通環境仿真、智慧道路設施部署與監控、無線網絡建設評估等方面。

  此外,51WORLD將數字孿生應用于水務系統,采用全要素場景數字孿生技術,基于各地水務、水網、水利、地信及水質監測終端的數據,生成“水務一張圖”,對自然水系和城市管網進行統一系統管理,實現多源數據的直觀可視,幫助一線人員和決策者快速精確決策。支持管網擴散分析、河道水質監測、能耗分析、橋隧淹沒模擬、水壩等水利設施調控、水質變化反演、巡檢統計等。

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