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

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“哈維爾2027”穿越——哈維爾2027是一個(gè)國(guó)外博主稱自己穿越到了2027年，他去的地方一個(gè)人都沒有，對(duì)此你怎么看？

相信是近期一個(gè)比較火的話題。全球網(wǎng)友都在吃瓜，難道真的穿越時(shí)空了？空間只有他一個(gè)人難道真的是生活在備份的世界里？這一點(diǎn)目前來說，實(shí)話實(shí)說他暫時(shí)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(shí)實(shí)是真實(shí)存在的！這就是我在這里需要跟大家分享先進(jìn)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(huì)發(fā)展的眾多方面。

其實(shí)通過特種的三維掃描實(shí)現(xiàn)物體的三維數(shù)字化，其實(shí)已經(jīng)在我們身邊了，這不讓我?guī)Т蠹铱纯?，我們是怎么通過3D掃描儀來超高精度的實(shí)現(xiàn)數(shù)字化吧！

講到這里，我想跟大家簡(jiǎn)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(diǎn)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(diǎn)云（point cloud），這些點(diǎn)可用來插補(bǔ)成物體的表面形狀，越密集的點(diǎn)云可以創(chuàng)建更精確的模型（這個(gè)過程稱做三維重建）。若掃描儀能夠取得表面顏色，則可進(jìn)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(jī)，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(jī)所抓取的是顏色信息，而三維掃描儀測(cè)量的是距離。

3：有了點(diǎn)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(diǎn)云生成3角面，合成為數(shù)字的實(shí)體。

“數(shù)字孿生”是針對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)體對(duì)象，在數(shù)字化世界中構(gòu)建完全一致的對(duì)應(yīng)模型，通過數(shù)字化的手段對(duì)實(shí)體對(duì)象進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真、監(jiān)測(cè)、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(qiáng)調(diào)仿真、建模、分析和輔助決策，側(cè)重的是物理世界對(duì)象在數(shù)據(jù)世界的仿真、監(jiān)測(cè)、分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界的真實(shí)復(fù)現(xiàn)和決策支持。

隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)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(kuò)展。然而影響數(shù)字孿生實(shí)際發(fā)揮效用的，是數(shù)字模型對(duì)象的真實(shí)、可行性，是是否能夠高度還原真實(shí)物理對(duì)象的特征。

三維組態(tài)可視化，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生、推進(jìn)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(duì)象復(fù)雜結(jié)構(gòu)定義、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型關(guān)節(jié)定義、實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)報(bào)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(gè)大空間70米--160米的半徑內(nèi)實(shí)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(shí)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(guó)工程師協(xié)會(huì) 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(duì)工廠的結(jié)構(gòu)，流程和資源等進(jìn)行全面規(guī)劃、評(píng)估和持續(xù)改進(jìn)。

一個(gè)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(yùn)營(yíng)經(jīng)理、現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)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(jìn)步，這是近年來最激動(dòng)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(duì)象和虛擬對(duì)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(dòng)的。物理對(duì)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(jià)值。

常與數(shù)字孿生一起出現(xiàn)的相關(guān)術(shù)語(yǔ)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(duì)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(duì)象不會(huì)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(dòng)數(shù)據(jù)交換，其中物理對(duì)象會(huì)反映虛擬對(duì)象的變化，而不是另一方向。

講了這么多相信大家對(duì)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(yàn)出“哈維爾2027”穿越了吧?。≡挷欢嗾f，先來《巨影3D創(chuàng)新創(chuàng)客科普教育基地》體驗(yàn)一下如何Copy一個(gè)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(shí)踐意義，對(duì)學(xué)生的動(dòng)手能力發(fā)展、實(shí)踐應(yīng)用起到重要的促進(jìn)作用。在國(guó)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(guó)，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(tái)機(jī)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(yùn)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(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生是一種超越現(xiàn)實(shí)的概念，可以被視為一個(gè)或多個(gè)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(yǔ)。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(shí)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(yùn)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(duì)實(shí)體產(chǎn)品的鏡像，反映了相對(duì)應(yīng)物理實(shí)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(duì)物理實(shí)體的組成、特征、功能和性能進(jìn)行數(shù)字化定義和建模的過程。數(shù)字孿生體是指在計(jì)算機(jī)虛擬空間存在的與物理實(shí)體完全等價(jià)的信息模型，可以基于數(shù)字孿生體對(duì)物理實(shí)體進(jìn)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(duì)象、模型和數(shù)據(jù)。[3]

進(jìn)入21世紀(jì)，美國(guó)和德國(guó)均提出了 Cyber-Physical System（CPS），也就是“信息-物理系統(tǒng)”，作為先進(jìn)制造業(yè)的核心支撐技術(shù)。CPS 的目標(biāo)就是實(shí)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(cè)，以最優(yōu)的結(jié)果驅(qū)動(dòng)物理世界的運(yùn)行。數(shù)字孿生的本質(zhì)就是在信息世界對(duì)物理世界的等價(jià)映射，因此數(shù)字孿生更好的詮釋了 CPS,成為實(shí)現(xiàn) CPS 的最佳技術(shù)。

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