什么是数字孪生？

2024/07/17

数字孪生

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用科学的眼光来看，
社会关注的真正原因

什么是数字孪生？

数字孪生，正如“双胞胎”一词所暗示的那样，是一种从现实世界收集数据，在数字空间中重新创建数据，创建另一个世界，并分析现在正在发生的事情并预测将来会发生什么的工具。数字孪生是通过结合多种技术来实现的，包括高速计算机处理、传感、物联网、VR 和 3D 相关技术。其应用范围广泛，可在制造、建筑、物流、医药、农业等各个领域实现现实世界的管理和监控、效率提升、自动化/自主以及未来预测。

随着信息技术、传感技术和通信技术的发展，在现实空间中测量和收集各种详细数据并在数字空间中再现已经成为可能。这是数字孪生。此外，结合人工智能和模拟，可以管理、控制和预测现实世界的对象。在AIST，我们正在考虑在各个行业中实施数字孪生所需的条件，并且我们正在继续研究数字孪生，不仅针对工厂等封闭环境，而且针对整个城市和整个社会。数字建筑研究中心研究主任Chiaki Tsutsumi和人工智能研究中心研究主任Ryosuke Nakamura将进行解释。

什么是数字孪生？其关注的背景

什么是数字孪生？

　数字孪生没有严格的定义，但总的来说，它是一种从现实空间中的物理对象收集数据并将其复制到数字空间以创建另一个世界的方法。目的是利用这个副本对现实空间中的物体（设备、设施、城市、地区、国家等）进行数字化管理、控制、解决问题、预测等。

　例如，有一个系统可以在数字空间中再现和管理飞行期间飞机发动机的运行状态。通过使用数字孪生来优化运行、预防故障和缺陷、进行维护等，可以了解并响应发动机运行中的实际状况，而无需直接接触实际发动机。

实现数字孪生的基础技术

　要实现数字孪生，必须改进各种技术并进行协作。不仅基础计算机的运算能力得到提高，收集大量各种数据的传感技术、将数据发送到数字空间的通信技术、AR、VR等技术也得到了发展，通过这些技术的组合来实现这一目标已成为可能。

创建的 3D 数据的示例。（左）柏之叶校园站周边（中）白丝瀑布和滝见桥周边（右）AIST筑波中心

　真实空间测量技术包括MMS（移动测绘系统），它可以使用车载激光扫描仪和摄像头以3D方式测量道路和周围条件，以及使用飞机进行激光测距。此外，3D扫描技术近年来发展迅速，使得非专业人士也能以较低的成本使用。例如，当前的一些智能手机具有允许用户仅通过拍摄视频来创建3D模型的功能。这样，数字孪生的传播随着整体技术水平的提高而不断进步。然而，随着可收集的数据类型和数量不断扩大，下一个挑战是如何整合它们。

数字孪生的优势和挑战

数字孪生可以实现什么

　在工厂这样的受控封闭空间中，几乎没有外部变量，因此更容易构建数字孪生。例如，可以使用数字孪生来重新创建制造设备，以帮助提高生产效率并防止故障。

如今，可以在户外等一般空间收集更多数据，并且现在可以收集时时变化的数据，例如天气或人数，从而可以接近工厂等受控空间。这将使数字孪生能够从一般空间收集数据并及时融入环境变化，使不具备自行应对快速变化和复杂情况的性能的机器人能够通过遵循针对情况定制的指令，在类似于受控空间的条件下工作。这是一项也可以应用于自动驾驶个人移动的技术（AIST杂志“什么是个人移动性？」）。

　AIST还与林业和林产研究所（日本林业和林业研究所）进行联合研究，创建森林地区的数字孪生，了解植被和路面状况，并利用这些信息帮助自动机器人砍伐和运输木材。

数字孪生挑战

　数字孪生被认为可用于广泛的领域，包括工厂、物流、医疗保健、城市规划、交通规划、灾难恢复和考古研究。

重要问题之一是考虑时间轴。现实世界在不断变化，因此除非数字世界与之同步变化，否则它不会成为“双胞胎”。此外，通过使用数字孪生进行模拟，我们将能够了解未来会是什么样子，并从那里我们将能够设计如何改变现实。

　在考古领域，它可以用来从废墟中模拟城市和村庄过去的状况，并以数字孪生的形式保存废墟现在的面貌，以防因开发而遭到破坏。为此，产业技术研究院与国立文化财研究所奈良文化财研究所合作开发了国家文化遗产信息数字孪生平台。 (2022/10/18 新闻稿）

数字孪生平台，可让您以集成方式查看从地下到地面的情况。岩桥千冢古坟群天王冢古坟之丘（地上）和国家指定特别史迹石室（地下）一起展示。

　数字孪生对于灾难恢复和重建也很有用。通过使用数字孪生进行模拟，预测哪些道路最先开放最有效，以及恢复后人口集中度和社会经济活动将如何变化，从而可以根据预测制定恢复和重建计划。

AIST 的举措和未来前景

　数字孪生的顺利使用，除了技术发展外，还需要解决许可、牌照等法律问题。即使某个地区的数字数据可用，许可等问题也可能无法解决，也可能无法公开。 AIST 还负责就开发利用此类数字孪生所需的系统向国家和地方政府提出建议。在技术方面，我们的目标是将数字孪生构建为高度通用的平台。从那时起，我们正在考虑让工业领域的个体公司和人员利用数字孪生来满足他们的目的。

　这是因为，虽然简单地称为数字孪生，但根据领域不同，所使用的数据差异很大。所需数据的精度各不相同，从工厂的毫米级到建筑和农业的厘米和米级。所需的数据更新频率也有很大不同：对于交通来说，需要以秒为单位更新数据，但对于建筑物来说，可能需要几年，对于森林来说，可能需要几十年。其他因素也会因领域而异。

因此，为了利用数字孪生，需要适合每个专业领域的应用程序。私营公司拥有公共机构所没有的独特数据。我们相信，通过让公司对数字孪生感兴趣并共同进行研发，我们可以扩展其应用。

　未来将引起关注的一个应用是用于机器人利用的数字孪生。通过利用数字孪生，机器人将能够在比目前更多的地方和场景中使用，也将有可能解决劳动力短缺的问题。在AIST，我们希望与分享这些想法的公司合作，进一步促进数字孪生的社会实施。