工厂有了数字“双胞胎” 城市打造“云端之城”
4月30日，在天津市滨海新区国家动漫园里的大型动作捕捉棚内，身着特定装备的动捕演员（左）和同事在查看电脑生成的虚拟角色动作。
新华社记者 赵子硕摄
8月21日，在广东省深圳市国贸大厦空调机房，物业工作人员在新装的智能物联网控制柜前进行运行抄表。
新华社记者 毛思倩摄
在工厂园区，“虚拟工厂”向线下工程师反映工厂各个设备的情况，帮助工厂运维者“胸有成竹”地高效管理好实体工厂；在古城西安，数字方舱化身“科技守护者”，一系列数字技术的应用让城墙保护有了一双双“智慧眼”；在“未来之城”雄安，物理城市与数字城市同步规划、同步建设，汇聚城市数据、统筹管理运营的信息“中枢”加快打造……这些生动场景的实现，都离不开数字孪生技术。
数字孪生技术，是指通过建立三维数字化模型，打通物理世界和数字世界，实现虚实融合的复合技术。推动制造业数字化转型、提升城市治理效能、助力文化遗产保护，从制造到消费，从生产到服务，从生活到生态，一个个数字孪生应用场景正在各行各业构建，“摸不着”的数字孪生，正在带来“看得见”的经济效益。业内人士认为，随着技术的不断成熟和应用场景的持续探索拓宽，数字孪生技术将迎来新的发展机遇。
“虚拟工厂”和实体工厂同步运转
近年来，随着物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的发展，数字孪生技术在制造业中得到越来越多的应用，通过建立设备、工厂、产品的数字模型，企业能够在虚拟环境中对其进行预测性维护、性能优化和生产流程的实时调整，工厂精益生产、产线优化能力进一步提升。
去年12月10日，在山东省青岛市胶州市九龙街道上合示范区，随着首台超薄零嵌大冰箱的下线，海尔上合冰箱互联一工厂正式宣布投入生产，这家工厂占地面积465亩，年产能200万台，是由海尔旗下卡奥斯孪生制造一体化平台打造的数字孪生工厂。
“卡奥斯孪生制造一体化平台将数字孪生技术应用到家电制造、打造‘虚拟工厂’中，通过工业属性的AI、物联网、大数据等智能引擎，打通工厂设备资产和信息系统间的数据脉络，深入挖掘数据价值，运用孪生技术打造高保真、实时同步的虚拟实体，构建了虚拟技术全方面应用的数字孪生工厂。”卡奥斯数字孪生团队家电项目负责人张玥向本报介绍。
通过数字孪生技术，这座工厂自规划到生产的每个阶段都清晰可见，也就是说，有两座工厂在同步昼夜不停地“运转”，一座是线下的实体生产线，另一座是“云端”的“虚拟工厂”。
在工厂规划阶段，先造出一座“虚拟工厂”。通过孪生制造一体化平台，把人、机、料、法、环全生产要素悉数转化为数字化模型，连每一颗螺丝钉都精确无误地映射至数字世界，从而构建出一个与实体工厂1:1还原的数字孪生工厂。在“虚拟工厂”中，精准模拟生产制造等环节，提供动态的生产过程视图，支持“假设模拟验证”，提前识别生产瓶颈和订单组合效果，降低试错成本，实现高效生产。
张玥说：“我们可以在‘虚拟工厂’中对每一个工厂方案先进行验证，包括每一条产线如何改动、如何调整，先在虚拟环境中充分验证、试错后，再选择一个投资最低、产出最高的方案进行‘落地’。经过这些‘云端’实验后，一旦数据能提供支撑，一个实体工厂建设方案就可以‘落地’，这样，项目从开工就可以省去大量的验证环节。”
在生产运营阶段，通过一体化平台，订单数据实现了实时汇集，而这一切的关键，正是智能排程系统的运作。在数字孪生工厂中，借助先进的仿真预演技术模拟生产，利用智能排程算法，对生产计划进行实时的动态调整，从而精确地分析和预测生产能力。这种基于数据驱动的决策方式，可以帮助企业精准把握生产进度、资源消耗以及质量状况。同时，通过对生产数据的分析，企业还可以找出资源使用的瓶颈和浪费点，发现潜在的问题，持续优化生产过程。
在实际生产中，经过仿真验证的生产计划可以无缝流转到真实工厂，工人们手持的智能设备和工位上的工位屏能同步展示详细的生产任务信息，并且将生产现场数据实时反馈给数字孪生工厂，从而实现对生产过程全生命周期的全面监控追溯和管理。
“云端”的数字孪生技术，正逐渐显示出“看得见”的经济价值。
“凭借孪生制造一体化平台的能力，工厂在建设阶段时，通过布局规划，发现管道等20多处干涉项，优化建设成本，节约250万元；在产线能力验证和产能爬坡验证阶段，发现某工序的节拍慢，可能会堵塞生产，影响产能，经优化后产能爬坡时间缩短20%。”张玥说，孪生制造一体化平台的出现，如同制造业的“超级大脑”，将虚拟生产与物理制造融合，使制造全生命周期的各个环节紧密相连，编织成一张无缝的网，充分释放了生产潜能。
业内专家指出，数字孪生技术为行业的数字化转型提供了强大的技术支撑，能够有效解决行业痛点，助力企业降本增效、提质升级。工业和信息化部数据显示，中国已连续三年实施智能制造试点示范行动，培育了421家国家级示范工厂、万余家省级数字化车间和智能工厂，人工智能、数字孪生等技术在中国90%以上的示范工厂得到应用。
让城市运行更“聪明”
哪条道路车流量比较大？地下管廊里有没有异常？小区里的垃圾箱有没有满？在雄安新区，被称为“雄安之眼”的城市计算中心，对城市的运行情况了如指掌。城市计算中心是雄安城市管理的智慧中枢，其电子屏上清晰地显示着地下管网数据、道路交通信息乃至整个雄安新区的城市运行数据。
雄安新区设立7年来，除了现实中正在建设的地上城市和地下城市外，还有一座云上的数字城市同生共长。如今，雄安城市计算中心、综合数据平台、雄安城市信息模型平台、物联网平台和视频一张网平台“一中心四平台”建设初具规模，初步构建起“云上一座城”。
在雄安新区的智慧城市建设中，数字孪生技术发挥着重要作用。“雄安每一栋建筑、每一片绿地在现实中的建设过程，都伴随着其在数字世界中的精准映射。”雄安云网科技有限公司首席技术官袁晓东说，“通过模拟与预测优化城市规划，实时监控基础设施状态，提升公共安全与交通管理效率，监测环境并优化能源使用，同时促进社会服务优化和居民参与，助力雄安新区打造高效、绿色、智能的现代化城市。”
十几个路口，一路绿灯，司机们在雄安新区的良好体验，与智能交通的建设分不开。
2020年，5G车路协同示范应用项目成功申报国家发改委和工信部2020年新型基础设施建设工程。自2020年12月开始，陆续在昝岗、雄东、容西和启动区四个片区计约288公里道路开展数字基础设施建设。