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数字孪生技术发展分析

技术知识库 时间:2023-08-24 14:08:02 283 次浏览

文章来源:数字孪生城市白皮书(2022年)

关键词:【数字孪生】【数字孪生系统】【数字孪生发展】【数字孪生城市


数字孪生技术发展历程是新一代信息技术不断集成融合的过程。回顾数字孪生技术发展历程,大致可以分四个阶段,数字孪生萌芽期,以模型仿真驱动为特征;数字孪生概念期,以模型与感知控制驱动为特征;数字孪生推广期,以模型、感知、空间位置等多技术融合驱动为特征;数字孪生壮大期,以模型、位置、感知、交互、AI等技术全面融合驱动为特征。可以看出,每个阶段均呈现出,更多技术的一次集成与融合,并形成一种综合性更强的技术。

 

数字孪生技术集成发展历程

 

01  数字孪生萌芽期  以模型仿真驱动为特征

20世纪80年代以来,CAD、CAE、CAM等计算机建模、模拟仿真技术迅猛发展,并在制造业领域开始广泛应用,从产品设计发展到工程设计和工艺设计等,通过建模软件来设计产品外观、仿真软件来模拟产品性能,成为该时期发展的主要目的及形态。

02  数字孪生概念期  以模型与感知控制驱动为特征

2002年迈克尔·格里夫教授首次提出“镜像空间模型”,成为数字孪生概念的起源,并将该理念应用于产品全生命周期管理之中。与此同时,21世纪初“物联网”技术快速推广应用,通过感知通信获取产品实时运行数据成为可能。2010年NASA将数字孪生应用于航天航空领域,随后通用电气、达索、西门子等制造业龙头企业广泛开展数字孪生应用,推动了物联感知技术与建模仿真技术的集成融合。

03  数字孪生推广期  以模型、感知、空间位置等多技术  融合驱动为特征

随着物联网、BIM技术的成熟普及,二维GIS技术走向三维化实体化语义化,数字孪生技术应用逐渐从封闭空间小微场景,向开放空间大中型场景转变,从数字孪生零件、产品、车间,走向数字孪生楼宇、园区、城市等大尺度范围。2015年新加坡提出“虚拟新加坡”建设计划,2017年雄安新区提出“数字孪生城市”建设理念并落地实施,数字孪生技术开始着力解决城市规划、能耗管理、废物处理、交通规划等社会运行发展问题。

04  数字孪生壮大期  以模型、感知、位置、交互、AI等技术 全面融合为特征

随着大数据、AI、区块链等技术进入大规模应用,行业知识图谱、行业算法与空间分析计算开始融合,VR/AR等交互技术兴起,UE、Unity等高逼真可视化渲染引擎广泛应用,GIS、IOT、BIM、AI、VR/AR等企业纷纷开展合作,并参与到城市大脑、数字孪生城市、数字孪生流域建设中来,构建全时空、全要素、全能力的数字孪生空间成为可能。近两年元宇宙概念兴起、AR/VR发展提速,加速推动数字空间与现实空间深度融合,数字空间赋能现实空间运行,数字孪生进入大集成大融合新阶段。

05 数字孪生城市技术集成性高 核心板块日渐清晰

随着近年来数字孪生技术在城市各领域广泛应用,建模仿真、物联感知、地理信息、大数据与人工智能、虚拟现实等各领域头部企业纷纷开展技术合作和集成创新,加速进入数字孪生城市建设新赛道,数字孪生城市的技术体系总体构成逐渐清晰,其核心技术至少包含六大板块。

数字孪生城市涉及核心技术构成

1 标识感知技术

来源于通信领域和自动化与控制领域,是连接物理世界的入口和反馈物理世界的出口,具备标识解析和感知两大功能。

2 GIS与新型测绘技术

来源于地理信息领域,通过定位与空间导航、空间分析等技术,为数字孪生提供基础地理信息、遥感影像等城市底板数据。

3 孪生建模技术

来源于制造业计算机辅助设计领域,通过几何建模和物理建模实现对物理实体形状、已知(或经验)的物理规律以及未知的物理规律的模拟。

4 可视化渲染技术

来源于计算机图形学和图像处理技术理论,通过WebGL或游戏引擎工具将3D模型生成图像、视觉效果的过程,能够真实展现物理世界全貌。

5 仿真推演技术

来源于大数据分析、AI分析、视频分析等算法领域,通过机理仿真、大数据或AI驱动仿真对物理世界及其运行发展全过程进行仿真模型构建、模拟分析和实时智能推演。

6 交互控制技术

来源于类脑视觉、AR/VR、三维视觉、模式识别等图形图像领域,将人的因素通过手势、视觉、语音、脑波等融入数字孪生系统,使用者可以通过友好的人机操作方式将控制指令反馈给物理世界,实现数字孪生全闭环优化。

 

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