数字孪生( Digital Twin )是近几年兴起的最前沿技术,简单而言就是利用物理模型,使用传感器获取数据的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应实体的全生命周期过程。在未来,物理世界中的各种事物都可以使用数字孪生技术进行复制,是智能化的一个重点研究方向。比如一个工厂在还未建造之前,就完成其厂房及产线等的数字化模型,从而在虚拟的空间中对工厂进行仿真和模拟,并通过数字化检测/测量系统等将真实参数传给实际的工厂建设。工房和产线建成之后,在日常的运维中二者继续进行信息交互,以完成监控、维护等工作。同理,产品设计中的数字孪生指的是,在产品未投入使用时便建立其数字模型,模拟仿真其使用情境,以优化设计(如我们现在的基于虚拟仿真技术的内饰设计 等),同时,在产品投入使用时,通过传感器等设备获取其实际使用过程中的各种重要参数,建立其数字孪生体(当然,此处的数字孪生体只提取真实产品的关键参数进行建模,并非将真实座椅的全部物理信息映射到数字孪生体中),并将这些数据传送到虚拟数字模型中,实现日常的运维中二者继续进行信息交互。
在设计阶段,利用数学孪生思想对产品进行虚拟仿真模拟,对产品的人机工效、力学性能等进行仿真,验证产品在真实环境中的性能以优化设计。值得注意的是,基于数字孪生的虚拟仿真不仅基于传统的CAD模型,它也是基于高保真的三维CAD模型,它被赋予了各种属性和功能定义,包括材料、CMF、感知系统、机器运动机理以及与人的多通道交互等产品全维度的信息,这些都通过内置于产品内的传感器实现。全方位信息的采集和馈送是智能设计的基础,从而实现交互过程中的实施信息反馈。
在服务阶段,通过实时数据采集的馈送,我们可以在真实产品的数字孪生体中监控产品的实时运行情况,以及其他用途。
以一款座椅来说明基于数字孪生技术的智能产品设计。
(1)前期在设计软件中仿真分析座椅的人机工效、力学性能等信息。模拟座椅在真实场景中的使用情境,在概念设计阶段优化座椅的设计。
(2)搭建实体座椅模型,并安装好各种传感器,如测量人坐压的压力传感器,测量坐姿的接触面积传感器,内置的时钟等。同时,采集人使用座椅的数据。
(3)建立数据馈送机制,实现物理模型和数字模型的双向信息反馈。
(4)进一步研究。结合大数据、人工智能等技术,收集数据,进行智能产品设计改进等。如使用人工智能的深度学习方法预测人不同坐姿的舒适度等。