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数字孪生:从细胞、原子到心脏和城市!

2020/7/8    来源:阿里研究院    作者:新商业攻守道      
关键字:数字孪生  数字建筑  生命科学  
本文是阿里研究院新商业攻守道《第9期:从巴黎圣母院重建看数字孪生建筑》和《第10期:数字孪生,从细胞、心脏到新药研发》内容。业界大咖共同讨论这些前瞻性、引领性议题,带给大家启发。

对话嘉宾

    单一数字技术的突破和多技术的集成正在帮助人类构筑一个新的世界:数字孪生的世界。这场发端于航天、飞机等高端复杂产品研制的技术革命,正在向人类生产、生活的各个领域扩散。从原子、器件、产品、产线到服务,从管网、建筑、城市到地球,从基因、细胞、心脏、大脑到人体,从材料科学、生命科学到制造、建筑,正在不断地在数字世界中构建一个数字孪生体,人类正在构建一套新的认识和改造世界的方法论。物理世界的实体都将在虚拟世界里重建,构建一个数字孪生的世界,通过虚实实时映射、反馈和优化,帮助人类建设更加美好的未来。

1 数字建筑与智慧城市

冯升华 达索系统大中华区渠道技术总监、达索系统中国大学校长

    数字孪生让巴黎圣母院重生

    2019年4月15日,巴黎圣母院发生大火,塔楼倒塌、建筑受损。人们都关心巴黎圣母院能完好修复吗?巴黎圣母院发生大火是不幸的,但幸运的是,2015年达索系统公司与巴黎市政府合作“数字巴黎”项目,通过数字化建模、仿真,完整地还原了巴黎古城的建造过程,真实还原了巴黎圣母院的原貌和几百年的建造过程,在数字世界中再现了一块砖、一扇门、一扇窗的安装过程,数字孪生将会让巴黎圣母院获得重生。“数字巴黎”项目把这座城市从零开始的历史时空连续地在数字世界呈现出来,重现了巴黎城市和文明的历史,人们就可以在数字世界中实现时空穿越和体验,通过沉浸式的体验来学习和传承人类的历史与文明。

巴黎圣母院建造过程的复原

巴黎圣母院建造过程的复原

    数字孪生重现历史,也在设计未来

    通过数字孪生重现历史,是为了更好地去设计未来。达索系统用数字孪生技术还原了巴黎的建造过程,这也为未来巴黎规划提供了更好的蓝图。数字孪生在重现建筑与城市历史的同时,也革新了知识的传承方式。人们可以通过沉浸式的体验在数字孪生的世界中传承、学习和体验人类的历史与文明。未来学生们在上历史课时,可以带着AR\VR眼镜穿越到当年历史发生的场景中去体验、去感悟,体验金字塔建筑工地上奴隶的艰辛,在长安大明宫中向李白请教如何创造唐诗。

巴黎建造过程复原

巴黎建造过程复原

    数字孪生已融入建筑全生命周期

    数字孪生技术已融入整个建筑的全生命周期,在概念设计阶段帮助人们对建筑周边环境开展评估,在详细设计阶段提高了多专业协同效率,实现包括抗震、沉降、通风等各种设计仿真,施工阶段通过仿真模拟进度计划、工艺方法、避免风险、缩短工期、提高效率。

    高铁设计、建造是一个复杂的系统工程,如何实现多专业、多场景、高精度、高质量、短工期、低成本,一直是困扰设计及施工单位的世界级难题。数字孪生技术带来了新的解决方案,以京雄(北京—雄安)高铁为例,人们可以在数字空间建设一条京雄高铁的数字孪生体,完整系统地呈现、展示京雄高铁的建设过程,人们带来了多种价值:

数字化技术助力京雄高铁建设

数字化技术助力京雄高铁建设

    一是实现设计建造过程中多专业、多工种、多场景的高效协同。数字孪生技术可以让多工种、多专业协同工作,大幅提高了整个设计建造过程效率、降低成本。

    二是实现设计建造过程中多方案的高效、精准、低成本筛选。当高铁经过山区时,人们是应该设计一座桥还是建一个隧道?数字孪生技术可以进行仿真模拟,同时对不同方案进行持续迭代,开展各种错、漏、碰、缺的设计验证,对各种方案进行比对,直到找到对环境影响最小、工期最短、成本最低的最佳方案。

    三是实现设计建造过程中物料成本及建设成本的精准核算。基于数字孪生的高铁建造场景,人们可以实时了解不同建设方案的需要多少铁轨、材料等,帮助人们科学决策。

安筱鹏 阿里研究院副院长、数字化企业研习社副理事长

    数字孪生:以数据自动流动提高资源优化配置效率

    无论是产品生产,还是工程建造,面临的共同问题是,工期拖延。人们可以找到各种原因,归纳为一点,就是企业无论面对各种突发事件和不确定性。企业生产过程中均伴有一定的运行总日历时间,在总日历时间中,因生产设备性能衰减(如:速度损失、空转停机)、质量损失、系统停机(外部干扰、节假日)等不可抗拒因素引起的时间损耗约占40%左右,生产运行实际理论可用时间仅占总日历时间约60%。而在理论可用时间中,生产过程还面临工艺准备、主动维修、意外故障所带来的时间损耗,实际生产可利用时间仅占到理论可用时间的30%。同时,如果考虑到操作失误、设备检测、工艺更换带来的运行停机,最终,实际生产有效可用时间占企业生产运行总日历时间不足10%。数字孪生在建筑、制造等领域的设计、仿真、建造、维护的每个阶段的深度应用,将会大幅提高各种资源的优化配置效率,缩短工期、提高质量、降低成本。数字化转型的本质就是以数据的自动流动,化解复杂系统的不确定性。

企业生产过程中的总日历时间与有效可用时间

袁正刚 广联达科技股份有限公司总裁

    建筑的数字孪生:回归成本、进度、质量和安全

    任何新技术的应用都要回归到如何为客户创造价值这一基本出发点上,数字孪生也不例外。建筑的数字孪生思考的核心问题是,能不能帮客户省钱?能不能帮客户加快进度?能不能帮客户提高质量安全的管理水平?

    传统建筑信息化是解决点状、局部问题,一个岗位、一个功能的问题,数字化的价值在于如何实现资源从局部优化不断走向全局优化,解决拿着高工资的钢筋技工等待钢筋的运抵问题。建筑的数字孪生要解决建造过程中生产力、生产关系、生产对象、管理要素(如进度、成本、质量、安全)等数字世界中重建,通过数字世界的模拟优化,提高资源配置效率。只有这样才能缩短工期、节省成本、提升质量。

    数字孪生的重要价值在于建立系统化、体系化思维。无论是制造业还是建筑业,面对的纷繁复杂的各种问题归结为一点,就是企业全局优化的需求和碎片化供给之间的矛盾。2018年广联达开始提“数字建筑”的理念,核心就是要实现建筑的全过程、全要素、全参与方的数字化、在线化、智能化,实现从单点优化到全局优化,推动建筑资源优化沿着点、线、面、体持续推进。

2 数字孪生技术演进与云化转型

冯升华 达索系统大中华区渠道技术总监、达索系统中国大学校长

    数字孪生发展的五个阶段

    未来,原子、基因、产品、城市、人体、星球在数字世界中都可以重建一个数字孪生体,它能够帮助人类实现极致高效、极致协同、极致安全、极致智能。从达索系统的实践看,数字孪生发展经历了五个阶段:几何孪生、多学科孪生、全生命周期孪生、三维体验孪生,现在已经进入到第五个阶段:生命孪生。

材料科学与基础科学的数字孪生

材料科学与基础科学的数字孪生

    阶段一:几何孪生。最早数字孪生所关注的是所见即所得,人们在计算机看到什么样,最终生产和建造出来就什么样,人们关注的是几何尺寸和几何外观。

    阶段二:多学科孪生。上世界90年代初,业界思考的问题是,数字世界里数字孪生的飞机能起飞,据此制造的飞机在现实世界也能起飞。这意味着数字孪生的飞机完成了空气动力学、结构力学、电磁学等多学科、多专业的仿真模拟。

    阶段三:全生命周期孪生。人们除了思考数字孪生的飞机产品之外,还要考虑为什么要造这架飞机?如何来设计?如何来制造?如何来运营?如何来维护?从客户需求到产品退役,将飞机的数字孪生应用覆盖到产品全生命周期。

    阶段四:三维体验孪生。从2012年左右,达索系统发现仅仅考虑产品本身是不够的,还要考虑产品的使用环境,考虑如何给最终用户带来极致的体验。如在设计汽车时,在考虑汽车功能好不好用的同时,也要考虑汽车在什么样道路、什么样的环境中驾驶,要构造一个数字孪生的上下文环境,把数字孪生的产品放到数字孪生的环境中进行模拟、仿真、优化,以给最终用户带来极致的体验。

    前四个阶段中,数字孪生的对象还主要是无生命的产品,而现在我们已经步入第五阶段,生命的数字孪生。

数字孪生发展经历了五个阶段

数字孪生发展经历了五个阶段

袁正刚 广联达科技股份有限公司总裁

    广联达疫情中19%逆势增长的逻辑

    支撑和推动数字孪生技术发展的重要动力在于云计算的快速发展,而实现云化转型也是当前所有ICT企业、尤其是软件企业必需完成的答卷,否则将难逃被市场淘汰的命运。广联达作为一个为建筑业提供数字化解决方案的软件公司,在2020年新冠疫情肆虐、增长受阻、百业凋敝的时候,2020一季度同比增长19%。这背后是什么原因?

    其实原因很简单,广联达在过去的5年经过艰难探索,基于对建筑行业数字化转型和数字技术趋势洞察,全面加速向基于云的架构体系迁移,向SaaS模式转型,成功实现了产品、业态和商业模式的云化转型,成功熨平像新冠疫情引发的深度经济波动。广联达的云化之路有几点体会:

    一是技术架构和软件底层“铁公基”化。云化之后,广联达自己技术架构体系实现了大迁徙,实现了软件底成的云化、“铁公基”化,构建起广联达产业运行的新底座、新理念、新能力,这是广联达的商业转型技术基础。

    二是产品创新和迭代的周期越来越短。传统架构下软件产品的升级和迭代周期以年来计,而今天基于云和SaaS化的产品以月来计,这种变革是基于技术上的可行性与客户需求的迫切性,可以更好满足客户的个性化需求。

    三是与客户交互的方式、频率的变革。广联达产品SaaS化,客户的实时需求可以精准传递给研发团队,对客户的需求的洞察、感知、响应更加实时、精准、高效、全面,大幅提高了客户体验和粘性。

    四是找到了回归“为客户创造价值”之路。SaaS化重构了广联达与客户的关系,把人们经常讲的“为客户创造价值”的口号变成了一条可实施、要触达的可行之路,我们也清晰地看到了广联达为客户创造的每一个价值。这也是广联达在经历了产品方向和组织方式艰难探索之后,找到的一条新路。

3 数字孪生:从细胞、心脏到新药研发

    数字孪生有两个发展维度,一个是原子的维度,从原子、部件、产品、建筑、城市到地球;另一个是基因的维度,从基因、细胞、器官、人体到生物圈。在未来的20年里,人类会在生命科学和材料科学领域逐步走向微观世界,数字孪生会逐步成熟起来,大放异彩。

冯升华 达索系统大中华区渠道技术总监、达索系统中国大学校长

    数字孪生助力生命科学大发展

    数字孪生技术正在大踏步进入生命科学领域,达索系统在这方面进行了积极探索。达索系统在推动制造、城市数字化同时,全面布局到生物、医学领域的数字化。与构建物的数字孪生相比,基因、细胞、器官、人体的数字孪生更加复杂。一辆汽车的零部件有3万左右,波音777零部件是600万,航空母舰零部件是10亿量级,而人体是由37万亿个细胞组成的,每一个细胞的生命周期中要制造4200万蛋白质分子。可以说,人类社会所有机器加起的复杂度还没有人的一节小手指的复杂度高。而基因、细胞、器官的数字孪生建设的基础,是基于人体相关的多学科、多专业知识的系统化研究,并将这些原理、知识注入数字孪生体。

    达索系统有一个非常著名的项目叫数字心脏(Living Heart),在数字世界构建一个数字孪生的心脏。这项工作的基础是,通过研究心脏生物学、物理学、化学的作用规律,研究心脏是如何泵送血液,患者口服降压药后药物分子怎么作用于心脏,捕捉心脏如何通过生物电控制每股肌肉纤维产生收缩力,还原复制人类心脏的真实运行,基于对心脏物理、化学、生物规律完全掌握的基础上,构建一个数字心脏。数字心脏的价值巨大:

    一是提高心脏手术质量、降低风险。心脏手术专家可以事先借助数字孪生的心脏进行手术预演、规划手术步骤,帮助医生设计规划最佳手术方案,提高医生手术质量,降低风险。

    二是开展各类心脏临床医学的教学教研。无论是医学院,还是医院,基于数字孪生的心脏,可以低成本、高效率、高质量地开展复杂医学手术和解刨教学,提高医生和医学院学者的学习效率。

    三是改进药物、医疗器械的设计及快速通过许可。全球医疗器械行业设计出来的医疗设备,只有45%最终能够得到监管机构的批准。医疗设备制造商可以借助心脏数字孪生体开展药物和医疗器械的仿真实验,大大缩短医疗器械的研发周期,使之能够快速通过医疗部门的认证。

    达索系统不仅开展数字孪生心脏的项目,而且在数字大脑上取得了新进展。达索系统和相关机构通过研究开发数字大脑,已经在临床上创造了许多新价值。一是数字大脑帮助人们开展大脑物理创伤的治疗;二是提高精神类疾病治疗精准度。过去人们通过电信号刺激方法,治疗精神分裂、帕金森等精神疾病,电子信号成为电子药物。通过数字孪生大脑,可以快速地找到大脑中合适的位置,用合适的信号,开展精准治疗。三是基于数字大脑,提高老年痴呆症、脑萎缩等疾病的治疗效率。

数字孪生心脏的项目

数字孪生心脏的项目

    数字孪生:提高新药、新疫苗研发上市效率的利器

    新冠疫情暴发肆虐,全球都思考一个问题:如何能快速开发出新冠疫苗和特效药。但现实的问题是,制药是一个高风险、长周期、高复杂度的产业,有研究机构基于对10家公司的106种新药和生物制剂上市周期研究,得出的结论是,药物开发周期从临床前靶点筛选到最终上市平均至少13.5年(不包括靶点确认阶段),平均投入13.95亿美元,同时人们研制的新药中只有10%左右能通过政府审批、进入市场。

    人们正通过数字孪生的技术探索新药开发的新模式。目前人类还没能完全掌握病毒、人体和药物的数字孪生,原因在于还不能在数字世界中重建一个完整的病毒和细胞的数字孪生体,包括细胞生长分裂到制造蛋白质整个过程。如果人们能够造出病毒和细胞的数字孪生体,就可以进而建造一个患者的数字孪生,在数字化的患者体内试验新药对病毒靶点产生的影响,在数字世界观察分析虚拟临床、虚拟患者、虚拟药物、虚拟病毒、虚拟细胞等相互作用的机理。

    如果这些数字孪生体都能建造,将大大加快新药开发迭代速度,提高新药研发效率和成功率。从既往的经验来看,如果未来药物的数字孪生完全掌握了,像新冠肺炎的疫苗研发就比较容易了。

    现阶段,通过数字孪生的已经可以实现新药物的设计,包括小分子药物、高分子药物的设计;人们可以基于药效和病毒的靶点,通过人工智能自动筛选最合适药物;可以实现药效团设计,基于现有的药物如不能满足最优治疗效果,可以设计出一种新的药物并分析出来药物哪个成分是有效用的,还包括如何控制药物的毒性和副作用。以上这些药物设计的领域都已经做得比较好,但病毒和细胞的数字孪生还需要再取得突破。可以预期,数字孪生技术在医疗健康领域的应用前景是极为广阔的。

4 数字孪生的未来趋势

安筱鹏 阿里研究院副院长、数字化企业研习社副理事长

    数字孪生的未来:构建美好新世界

    数字孪生有三个发展阶段:局部的、碎片化的有限数字孪生阶段,我们现在正处在这个阶段;全局实现的、静态的数字孪生,缺乏实时交互;实时交互的数字孪生,这是未来理想的状态。

    数字化新技术正在解构旧世界,建立新世界——数字孪生的世界。物理世界、意识世界、数字世界这三个世界的数据、信息不断交互,使得人类改造和认识世界的工具、方法、手段、模式更加多元、更加高效。人类认识世界的方法从传统的理论推理、实验验证,发展到模拟择优和大数据分析。基于数字孪生在虚拟世界里去还原,仿真模拟给出各种选择,并不断优化物理世界。建设一个数字孪生的世界,最终还是要回到如何高效率、高质量地服务人、服务城市、服务企业和服务客户,这是数字孪生的终极价值。

责任编辑:程玥
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