陈根：数字孪生，辅助计算机设计

文/陈根

数字孪生技术是通过数字化的手段构建一个与数字世界中一模一样的实体，借此来实现对物理实体的了解、分析和优化。从更加专业的角度来说，数字孪生集成了人工智能（AI）和机器学习（ML）等技术，将数据、算法和决策分析结合在一起，建立模拟，即物理对象的虚拟映射。

数字孪生可以在问题发生之前先发现问题，监控物理对象在虚拟模型中的变化，诊断基于人工智能的多维数据复杂处理与异常分析，并预测潜在风险，合理有效地规划或对相关设备进行维护。随着数字孪生技术的发展，其开始与越来越多的领域产生联系，计算机设计就是其中之一。

在绝大多数场合中，CAD模型就像象棋里面一个往前冲的小卒，数字孪生则不同，它与物理实体的产生是步步相连的，实体没有被制造出来时，也就没有相对应的数字孪生生成，就像一个放飞在天空中频频回头的风筝，两头抻着力。

在过去，三维模型的作用行使之后就被工程技术人员放在计算机的文档夹里“沉睡”。而数字孪生却是神通广大、不可小觑的。

数字孪生是基于高保真的三维CAD模型，被赋予了各种属性和功能定义（包括材料、感知系统、机器运动机理等）；它的储存位置为一般图形数据库，而不是关系型数据库；它可以回收产品的设计、制造和运行的数据，再注入到全新的产品设计模型中，使设计发生翻天巨变。

IBM也表示，数字孪生体就是物理实体的一个数字化替身，可以演化为万物互联的复杂的生态系统。它是一个动态的、有血有肉的、活生生的三维模型。可以说，数字孪生体是三维模型的进阶，也是物理原型的超级新替身。

正因为数字孪生在前期就可以具备识别异常的功能，从而在尚未生产的时候就能消除产品缺陷，所以用它取代以前昂贵却又不得不用的原型才可能成为现实。

比如，在新冠肺炎疫情期间，闻名世界的雷神山医院便是利用了数字孪生技术进行建造。中南建筑设计院（CSADI）临危受命，设计了武汉第二座“小汤山医院”——雷神山医院，中南建筑设计院的建筑信息建模（BIM）团队为雷神山医院创造了一个数字化的“孪生兄弟”。

采用BIM技术建立雷神山医院的数字孪生模型，根据项目需求，利用BIM技术指导和验证设计，为设计建造提供了强有力的支撑。

近年的数字孪生城市的构建，更是引发城市智能化管理和服务的颠覆性创新。比如，中国河北的雄安新区就融合地下给水管、再生水管、热水管、电力通信缆线等12种市政管线的城市地下综合管廊数字孪生体让人惊艳；江西鹰潭“数字孪生城市”荣获巴塞罗那全球智慧城市大会全球智慧城市数字化转型奖。

随着数字化技术的发展应用，数字孪生还将带给人类社会更多惊喜。