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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，“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，數字方艙化身“科技守護者”，一系列數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，物理城市與數字城市同步規劃、同步建設，匯聚城市數據、統籌管理運營的信息“中樞”加快打造……這些生動場景的實現，都離不開數字孿生技術。
數字孿生技術，是指通過建立三維數字化模型，打通物理世界和數字世界，實現虛實融合的復合技術。推動制造業數字化轉型、提升城市治理效能、助力文化遺產保護，從制造到消費，從生產到服務，從生活到生態，一個個數字孿生應用場景正在各行各業構建，“摸不著”的數字孿生，正在帶來“看得見”的經濟效益。業內人士認為，隨著技術的不斷成熟和應用場景的持續探索拓寬，數字孿生技術將迎來新的發展機遇。
“虛擬工廠”和實體工廠同步運轉
近年來，隨著物聯網、大數據、云計算、人工智能等新一代信息技術的發展，數字孿生技術在制造業中得到越來越多的應用，通過建立設備、工廠、產品的數字模型，企業能夠在虛擬環境中對其進行預測性維護、性能優化和生產流程的實時調整，工廠精益生產、產線優化能力進一步提升。
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，隨著首臺超薄零嵌大冰箱的下線，海爾上合冰箱互聯一工廠正式宣布投入生產，這家工廠占地面積465畝，年產能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字孿生工廠。
“卡奧斯孿生制造一體化平臺將數字孿生技術應用到家電制造、打造‘虛擬工廠’中，通過工業屬性的AI、物聯網、大數據等智能引擎，打通工廠設備資產和信息系統間的數據脈絡，深入挖掘數據價值，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字孿生工廠。”卡奧斯數字孿生團隊家電項目負責人張玥向本報介紹。
通過數字孿生技術，這座工廠自規劃到生產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線，另一座是“云端”的“虛擬工廠”。
在工廠規劃階段，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、環全生產要素悉數轉化為數字化模型，連每一顆螺絲釘都精確無誤地映射至數字世界，從而構建出一個與實體工廠1:1還原的數字孿生工廠。在“虛擬工廠”中，精準模擬生產制造等環節，提供動態的生產過程視圖，支持“假設模擬驗證”，提前識別生產瓶頸和訂單組合效果，降低試錯成本，實現高效生產。
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，包括每一條產線如何改動、如何調整，先在虛擬環境中充分驗證、試錯后，再選擇一個投資最低、產出最高的方案進行‘落地’。經過這些‘云端’實驗后，一旦數據能提供支撐，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節。”
在生產運營階段，通過一體化平臺，訂單數據實現了實時匯集，而這一切的關鍵，正是智能排程系統的運作。在數字孿生工廠中，借助先進的仿真預演技術模擬生產，利用智能排程算法，對生產計劃進行實時的動態調整，從而精確地分析和預測生產能力。這種基于數據驅動的決策方式，可以幫助企業精準把握生產進度、資源消耗以及質量狀況。同時，通過對生產數據的分析，企業還可以找出資源使用的瓶頸和浪費點，發現潛在的問題，持續優化生產過程。
在實際生產中，經過仿真驗證的生產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任務信息，并且將生產現場數據實時反饋給數字孿生工廠，從而實現對生產過程全生命周期的全面監控追溯和管理。
“云端”的數字孿生技術，正逐漸顯示出“看得見”的經濟價值。
“憑借孿生制造一體化平臺的能力，工廠在建設階段時，通過布局規劃，發現管道等20多處干涉項，優化建設成本，節約250萬元；在產線能力驗證和產能爬坡驗證階段，發現某工序的節拍慢，可能會堵塞生產，影響產能，經優化后產能爬坡時間縮短20%。”張玥說，孿生制造一體化平臺的出現，如同制造業的“超級大腦”，將虛擬生產與物理制造融合，使制造全生命周期的各個環節緊密相連，編織成一張無縫的網，充分釋放了生產潛能。
業內專家指出，數字孿生技術為行業的數字化轉型提供了強大的技術支撐，能夠有效解決行業痛點，助力企業降本增效、提質升級。工業和信息化部數據顯示，中國已連續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、萬余家省級數字化車間和智能工廠，人工智能、數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？小區里的垃圾箱有沒有滿？在雄安新區，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數據、道路交通信息乃至整個雄安新區的城市運行數據。
雄安新區設立7年來，除了現實中正在建設的地上城市和地下城市外，還有一座云上的數字城市同生共長。如今，雄安城市計算中心、綜合數據平臺、雄安城市信息模型平臺、物聯網平臺和視頻一張網平臺“一中心四平臺”建設初具規模，初步構建起“云上一座城”。
在雄安新區的智慧城市建設中，數字孿生技術發揮著重要作用。“雄安每一棟建筑、每一片綠地在現實中的建設過程，都伴隨著其在數字世界中的精準映射。”雄安云網科技有限公司首席技術官袁曉東說，“通過模擬與預測優化城市規劃，實時監控基礎設施狀態，提升公共安全與交通管理效率，監測環境并優化能源使用，同時促進社會服務優化和居民參與，助力雄安新區打造高效、綠色、智能的現代化城市。”
十幾個路口，一路綠燈，司機們在雄安新區的良好體驗，與智能交通的建設分不開。
2020年，5G車路協同示范應用項目成功申報國家發改委和工信部2020年新型基礎設施建設工程。自2020年12月開始，陸續在昝崗、雄東、容西和啟動區四個片區計約288公里道路開展數字基礎設施建設。
據介紹，數字道路基于互聯網、大數據、人工智能等新技術，實現對道路交通情況實時監測，將交通資源按需分配，采用動態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車路協同技術以“車—路—云”協同為基礎，構建集感知、通信、計算能力為一體的智能基礎設施環境，提升城市交通管理和服務水平，為城市的可持續發展注入新活力。
雄安居民的生活也因數字孿生城市的建設而變得更加便捷，從教育、醫療到社區服務，個性化、智能化的社會服務將成為常態。雄安一卡通實現在政務、人社、醫療、交通、文化、旅游、補貼發放等場景對接，打造“一卡通城、跨城互通”的服務網絡；多表集抄系統為新區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；停車管理系統旨在打造統一的城市停車入口，全力推進交通數字化、停車智慧化，以數字城市力量便民利民。
“未來，雄安新區將更加依賴數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劃。”數字城市公司基礎設施智能化事業部數字道路項目負責人多亞軍介紹，“交通系統將實現全面智能化，車輛、行人、公共交通工具在數字孿生平臺的調度下高效流動，構建‘車路云一體化’的智能聯網產業新型基礎設施和數據共享環境，提供實時感知、瞬時響應的道路全要素感知數據。”
在城市水務領域，數字孿生技術同樣有著創新應用，通過數字技術賦能，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“一圖統覽”，河道水利的三維建模和數字孿生水網在線可視化，清晰呈現。“青島水務管理正邁向數字化、智能化的高效時代。”青島市水務管理局辦公室信息化相關負責人牛勇說。
據介紹，這一平臺是由海爾集團旗下數字城市品牌海納云打造。針對水利水務業務復雜，信息難以全局統覽等情況，海納云融合數字孿生、物聯網、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、水行政監管等功能于一體的水務業務網，建設“智慧水務一張圖”，實現數字信息全面獲取、水務要素全面集成、管理行為全面智能。通過數字孿生技術的應用，平臺在全面匯聚水庫水文數據基礎上，集成虛擬現實、水利專業模型、三維數字模型等信息技術，為水務管理提供了一種全面、立體、實時、直觀的監測和管理手段，有效提升了水務管理的數字化、智能化水平。
據了解，自今年5月份投入試運行以來，該平臺實現對23座水庫、51個積水點、214處河道監測點水情進行實時監測預警，提升水旱災害應急處理工作效率；并對現有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一監管，及時監測各類水利設施運行動態。
新技術為古城墻做“CT”
一座座古建筑被精確掃描，生成高精度的數字模型；歷史的風韻與先進科技交相輝映，在數字世界煥發生機。近年來，數字孿生技術逐步走進文化遺產保護領域，創新使文物與建筑在數字空間得到新生，也為文化遺產的保護利用開拓了新視野。
當千年城垣邂逅數字科技，會是怎樣的情景？作為陜西西安的文化名片，西安城墻在數字化的幫助下，煥發多彩生機。
客流量浮動、監測點位數據變化、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據每天都在大屏幕上滾動呈現。輕擊鼠標，虛實結合的數字“城墻”便出現在人們眼前，從外部的磚瓦彩繪到內部的建筑結構，透過“數字方艙”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”便是西安城墻數字方艙綜合管理平臺的一部分。近年來，西安城墻運用數字孿生、人工智能、大數據、物聯網、地球物理等前沿技術，與高校、科研院所和骨干企業共建，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“文化遺產數字化保護利用綜合解決方案”，實現了關鍵技術突破及文保文旅數據的融合共享。
“我們現有監測點位8000余處，做到了墻體、古建筑、周邊水體、地鐵、游人行為等監測全覆蓋。”西安城墻管委會工作人員尚楚喬介紹，“傾角儀、梁式測斜儀、測縫計、沉降監測點、水平位移監測點等監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測。”
高質量、高精度的模型數據讓西安城墻在數字世界“毫發畢現”。“我們對13.74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據模型，對1000平方米的彩繪進行了毫米級建模。”西安城墻數字產業創新中心總監趙彬表示，西安城墻數字孿生底座的搭建，為城墻歷史的永續保存、數字資產的衍生利用及數據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。“這是一項重大技術突破創新。”趙彬表示，“對城墻全域的‘CT’掃描，使得城墻內部結構在數字模型中清晰可見，便于我們實時掌握和分析城墻文物本體內外數據，做到文物保護心中有數。”
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積水自動告警系統準確識別特定區域積水情況，實現人工智能積水識別。據介紹，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現隱患，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，還可在第一時間發現隱患點的準確位置，大大提高了工作效率。
“目前打造的這套系統，一方面是為了推進西安城墻保護管理數字化的進程，實現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，探索數字科技與文化遺產保護傳承的融合，實現對不可移動文物的科學化、精細化、系統化保護和管理。”趙彬說。
如今，依托豐富的文化資源遺產及數字孿生相關科技領域的創新成功，西安城墻景區正在教育、科研領域推動文化遺產保護的資源共享。截至目前，西安城墻數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、科技型企業共建了“文保數據治理創新實驗室”“文化遺產數字場景應用創新實驗室”“文化遺產數字語橋創新實驗室”等項目，在產學研用的深度融合與協同創新中探索文化遺產的保護利用新路徑。（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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