本文作者為第三屆“廣東十大科學(xué)傳播達(dá)人”初選入圍的候選人之一黃偉

來自深圳巨影投資發(fā)展有限公司

“哈維爾2027”穿越——哈維爾2027是一個國外博主稱自己穿越到了2027年，他去的地方一個人都沒有，對此你怎么看？

相信是近期一個比較火的話題。全球網(wǎng)友都在吃瓜，難道真的穿越時空了？空間只有他一個人難道真的是生活在備份的世界里？這一點目前來說，實話實說他暫時超出我的認(rèn)知范圍，但是通過三維空間掃描技術(shù)，構(gòu)建物體與空間的數(shù)字備份，確確實實是真實存在的！這就是我在這里需要跟大家分享先進技術(shù)：“數(shù)字孿生”技術(shù)，而且當(dāng)未來工廠碰上數(shù)字孿生可以迅速提高人類社會發(fā)展的眾多方面。

其實通過特種的三維掃描實現(xiàn)物體的三維數(shù)字化，其實已經(jīng)在我們身邊了，這不讓我?guī)Т蠹铱纯矗覀兪窃趺赐ㄟ^3D掃描儀來超高精度的實現(xiàn)數(shù)字化吧！

講到這里，我想跟大家簡單陳述一下三維掃描儀的工作原理：

三維掃描儀

  大體分為接觸式三維掃描儀 和非接觸式三維掃描儀 。其中非接觸式三維掃描儀又分為光柵三維掃描儀（也稱拍照式三維描儀）和激光掃描儀。而光柵三維掃描又有白光掃描或藍(lán)光掃描等，激光掃描儀又有點激光、線激光、面激光的區(qū)別。

1：三維掃描儀的用途是創(chuàng)建物體幾何表面的 點云（point cloud），這些點可用來插補成物體的表面形狀，越密集的點云可以創(chuàng)建更精確的模型（這個過程稱做三維重建）。若掃描儀能夠取得表面顏色，則可進一步在重建的表面上粘貼材質(zhì)貼圖，亦即所謂的材質(zhì)映射（texture mapping）。

2：三維掃描儀可模擬為照相機，它們的視線范圍都體現(xiàn)圓錐狀，信息的搜集皆限定在一定的范圍內(nèi)。兩者不同之處在于相機所抓取的是顏色信息，而三維掃描儀測量的是距離。

3：有了點云數(shù)據(jù)就可以在3D專用軟件修改與后處理，再通過數(shù)法軟件將所有的點云生成3角面，合成為數(shù)字的實體。

“數(shù)字孿生”是針對現(xiàn)實世界中的實體對象，在數(shù)字化世界中構(gòu)建完全一致的對應(yīng)模型，通過數(shù)字化的手段對實體對象進行動態(tài)仿真、監(jiān)測、分析和控制。

這與三維組態(tài)可視化的技術(shù)、功能特性不謀而合。與數(shù)字孿生相同，“三維組態(tài)可視化”強調(diào)仿真、建模、分析和輔助決策，側(cè)重的是物理世界對象在數(shù)據(jù)世界的仿真、監(jiān)測、分析，實現(xiàn)對物理世界的真實復(fù)現(xiàn)和決策支持。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，數(shù)字孿生的應(yīng)用空間正不斷擴展。然而影響數(shù)字孿生實際發(fā)揮效用的，是數(shù)字模型對象的真實、可行性，是是否能夠高度還原真實物理對象的特征。

三維組態(tài)可視化，是實現(xiàn)數(shù)字孿生、推進數(shù)字孿生落地應(yīng)用的關(guān)鍵手段。這也就要求三維組態(tài)可視化必須滿足模型對象復(fù)雜結(jié)構(gòu)定義、數(shù)據(jù)驅(qū)動模型關(guān)節(jié)定義、實時狀態(tài)數(shù)據(jù)報文定義、三維組態(tài)可視化交互分析等功能、技術(shù)要求。

目前來說最高端的空間三維掃描儀可以在一個大空間70米--160米的半徑內(nèi)實現(xiàn)不到10CM的誤差，小型的物件掃描可以達(dá)到差誤更小哦，實現(xiàn)真正的一比一的還原。

什么是數(shù)字工廠，它們與數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)系如何？連接比您想象的要緊密。

數(shù)字工廠

制造業(yè)的數(shù)字化——數(shù)字工廠——是解決現(xiàn)代制造業(yè)挑戰(zhàn)和瓶頸的承諾，它肩負(fù)著將生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)重新配置成為可面向未來的高適應(yīng)性網(wǎng)絡(luò)的使命。

什么是數(shù)字工廠呢？根據(jù)德國工程師協(xié)會 VDI4499標(biāo)準(zhǔn) ，數(shù)字工廠包括了持續(xù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的數(shù)字模型、方法和工具（包括仿真和 3D 可視化）等。數(shù)字工廠的目標(biāo)是以產(chǎn)品為核心，對工廠的結(jié)構(gòu)，流程和資源等進行全面規(guī)劃、評估和持續(xù)改進。

一個功能齊全的數(shù)字工廠所需的人員與普通工廠所需的人員相同，即運營經(jīng)理、現(xiàn)場經(jīng)理、工程師和操作員。然而，他們的每日任務(wù)由基于單一環(huán)境和特定需求的數(shù)據(jù)量身定制。

數(shù)字孿生

現(xiàn)在，讓我們重點介紹前面提到的關(guān)鍵字，工業(yè)仿真和 3D 可視化; 感謝數(shù)字孿生技術(shù)的重大進步，這是近年來最激動人心的發(fā)展領(lǐng)域。制造業(yè)正在從靜態(tài)CAD 模型和 2D 平面圖過渡到完全交互式 的3D 模型。

Gartner Research 在"2019 年制造業(yè) IT 發(fā)展周期"中提供的數(shù)字孿生定義如下：

數(shù)字孿生的主要特征是物理對象和虛擬對象之間的共生關(guān)系，兩者間的數(shù)據(jù)交換是雙邊且自動的。物理對象特性的任何更改都將直接反映在數(shù)字孿生上，反之亦然。作為持續(xù)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的一部分，這樣的功能具有巨大的價值。

常與數(shù)字孿生一起出現(xiàn)的相關(guān)術(shù)語包括數(shù)字拷貝和數(shù)字影子，但他們之間存在細(xì)微的差異。

數(shù)字拷貝：就像是數(shù)字孿生，是數(shù)字形式中現(xiàn)有對象的呈現(xiàn)形式，但關(guān)鍵的區(qū)別是兩者間的連通性，修改物理對象不會反映在數(shù)字副本上（反之亦然）。

數(shù)字影子：連接是單方面的，具體來說是單向自動數(shù)據(jù)交換，其中物理對象會反映虛擬對象的變化，而不是另一方向。

講了這么多相信大家對數(shù)字孿生應(yīng)該有了一定的了解了吧，當(dāng)未來工廠碰上數(shù)字孿生，你也可以通過三維數(shù)字孿生技術(shù)，輕松體驗出“哈維爾2027”穿越了吧??！話不多說，先來《巨影3D創(chuàng)新創(chuàng)客科普教育基地》體驗一下如何Copy一個自己吧?。?！

3D打印技術(shù)，是目前科技發(fā)展非常重要的技術(shù)，其在教育應(yīng)用中亦有著深刻的創(chuàng)新實踐意義，對學(xué)生的動手能力發(fā)展、實踐應(yīng)用起到重要的促進作用。在國外，3D打印技術(shù)已開始普及，并逐漸滲透到了人們生產(chǎn)生活的方方面面，包括航空、航天、汽車、工業(yè)制造、玩具、服裝等都可用3D技術(shù)打印而成。在我國，3D打印技術(shù)的推廣和應(yīng)用已被廣泛關(guān)注。高校是發(fā)展自主3D打印技術(shù)的沃土，一臺機器放在學(xué)校里，就意味著至少有十幾甚至幾十人受益。

根據(jù)百度詞條：

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。

最早，數(shù)字孿生思想由密歇根大學(xué)的 Michael Grieves 命名為“信息鏡像模型”（Information Mirroring Model），而后演變?yōu)?/span>“數(shù)字孿生”的術(shù)語。數(shù)字孿生也被稱為數(shù)字雙胞胎和數(shù)字化映射。數(shù)字孿生是在 MBD 基礎(chǔ)上深入發(fā)展起來的，企業(yè)在實施基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）的過程中產(chǎn)生了大量的物理的、數(shù)學(xué)的模型，這些模型為數(shù)字孿生的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。2012 年 NASA 給出了數(shù)字孿生的概念描述：數(shù)字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對實體產(chǎn)品的鏡像，反映了相對應(yīng)物理實體產(chǎn)品的全生命周期過程。為了便于數(shù)字孿生的理解，莊存波等提出了數(shù)字孿生體的概念，認(rèn)為數(shù)字孿生是采用信息技術(shù)對物理實體的組成、特征、功能和性能進行數(shù)字化定義和建模的過程。數(shù)字孿生體是指在計算機虛擬空間存在的與物理實體完全等價的信息模型，可以基于數(shù)字孿生體對物理實體進行仿真分析和優(yōu)化。數(shù)字孿生是技術(shù)、過程、方法，數(shù)字孿體是對象、模型和數(shù)據(jù)。[3]

進入21世紀(jì)，美國和德國均提出了 Cyber-Physical System（CPS），也就是“信息-物理系統(tǒng)”，作為先進制造業(yè)的核心支撐技術(shù)。CPS 的目標(biāo)就是實現(xiàn)物理世界和信息世界的交互融合。通過大數(shù)據(jù)分析、人工智能等新一代信息技術(shù)在虛擬世界的仿真分析和預(yù)測，以最優(yōu)的結(jié)果驅(qū)動物理世界的運行。數(shù)字孿生的本質(zhì)就是在信息世界對物理世界的等價映射，因此數(shù)字孿生更好的詮釋了 CPS,成為實現(xiàn) CPS 的最佳技術(shù)。

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