在科幻影片《克隆人》中，科学家用生物技术在实验室中复制出了真人。而眼下越来越热的“数字孪生”，则是用数字方式“复制”世界。由此，给汽车及零部件设计、制造等环节带来更大发展空间。
新一代超集电驱系统、远程智能无人代客泊车APA7.0……近日，长安汽车首次发布了全场景数字孪生开发开放平台，以及从该平台上诞生的一系列新技术。事实上，越来越多的汽车及零部件企业正在走进数字孪生的世界。
“数字孪生体是物理世界与数字空间的交互体系。”工业4.0研究院院长、数字孪生体联盟理事长胡权在接受《中国汽车报》记者采访时表示，数字孪生在汽车行业的应用非常广泛，涉及汽车及零部件研发、生产和个性化服务等多个环节，可以笼统称之为“数字孪生汽车”。
无声变革悄然进行
对于传统的轮胎制造企业而言，新款产品从设计图纸到走向量产，一般会先试制样品，装到汽车上进行实际道路测试，然后通过测量各项数据，再与理论数据进行比对，从而一步步进行优化和改善，费时、费力、费钱，效率不高。
“我们现在采用数字孪生计算机仿真建模方法，只需输入轮胎尺寸、磨损率、原料配比等数据，就可从数字孪生的模型上对轮胎设计进行优化，而不必像以前那样用样品反复试验获得数据，不仅大幅缩短了产品从开发走向量产的时间，也节约了经费。”山东荥光轮胎有限公司副总工程师季瑞江告诉记者，利用数字孪生技术还能在计算机上对轮胎的原料配比、制造工艺等进行细致“打磨”，可极大提高了工作效率。
数字孪生不仅有助于解决汽车零部件的研发问题，而且在产品制造及企业管理方面也有令人惊诧的“神功”。“中国一汽新建的新能源汽车工厂占地面积78万平方米，相当于105个足球场。应用数字孪生的虚拟工厂，与真实生产环境1：1对应，人坐在办公室就能看到生产现场的全貌，节省了大量的人力、物力、财力。”阿里云汽车行业架构师黄铮介绍称，阿里云与机械工业九院联合研发了“汽车数字工厂1.0”解决方案，数字孪生是其中的重要基础，该方案在一汽红旗新建的新能源汽车工厂首次应用。他说，一款汽车由上千类、数万个零部件组成，该新能源汽车工厂生产过程有冲压、焊装、涂装、总装、电池五大车间、200多种生产工艺，每个车间的生产设备完全不一样，与其他行业相比，汽车制造更加考验企业的管理能力。在数字孪生的虚拟工厂中，大到上述五个车间，小到车间内的每台设备和每一个生产动作，都可以映射在数字孪生系统上，展现了这项技术对复杂生产系统的掌控力。
目前，在汽车产业“新四化”加速变革的大背景下，数字孪生正以前所未有的速度走进汽车及零部件企业。“几乎所有汽车及零部件企业都在逐步应用数字孪生技术提升研发效率、产品制造水平并实现成本节约。”北京翼络数字技术有限公司技术总监刘继业在接受记者采访时表示，数字孪生拥有开放架构，在汽车零部件设计制造中，很容易导入相关技术并实现融合，因为每个环节都可与数字孪生进行整体数据交互，助其更好地实现智能化，从而在产品全链条甚至产业全链条上实现优化。从这个意义上说，数字孪生具有很强的实用价值。
“未来的智能座舱会更像一个有智慧的生命体。为此，我们应用了‘用户-车企-开发者’全链路打通的全场景数字孪生开发开放平台。”长安汽车董事长朱华荣在“绿色智能，融合创新”论坛上介绍道，该平台有四个特点：一是功能的无限组合；二是在国内首次实现驾驶、座舱、车控三域打通的整车级虚拟仿真环境，实现全车功能场景可编排；三是通过本地＋云端方式提供无限算力服务；四是支持快速开展单体级、系统级、整车级的体验评价，支持虚拟现实、混合现实体验评价。
“很多汽车及零部件企业都已或多或少应用工业互联网，以及虚拟现实、混合现实技术，数字孪生就是其数据来源及不可或缺的重要组成部分，可以贯穿汽车全产业链。”胡权指出。
数字孪生带来别样改变
对于整车或零部件制造而言，怎样判断一颗螺丝有没有拧好？在传统的流水线上，这项工作需要人工检查，但通过数字孪生技术，可以通过算法算出拧这颗螺丝用了多大力、拧了多少度等。
“在汽车及零部件企业的实际应用中，数字孪生主要包括两个方面的内容。”华南理工智能感知与控制工程研究中心研究员张睿林告诉记者，一是对现实中的整车或零部件建立数字模型，二是对计算机设计的数字模型进行复制。换句话说，就是既可以“从实到虚”，也可以“从虚到虚”，目的都是通过计算机技术进行较为复杂、精细的数据处理，提高精确度和效率，同时极大地拓展设计的想象力及实用性，比如根据实际需要将规则的四边形汽车覆盖件，改造成多边形甚至不规则形状，并利用计算机同步解决智能化制造工艺细节问题。
电动汽车的安全稳定行驶，离不开动力电池的良好工作状态。“车载电池管理系统计算能力有限、数据存储能力有限，很难做到精确监控动力电池运行状态。”浙江浩迪新能源有限公司总工程师韩玉文告诉记者，动力电池数字孪生监控系统，就可以解决这一问题。据介绍，该系统包括数据感知、数据收集的互联装置，数据存储的云端，数据分析软件，数据可视化用户界面等，通过对动力电池温度、电量、阻抗和电压电流曲线等实时感应并与标定数据实时比对，一旦发现偏差就及时报警，在全面监控动力电池工作状态的同时，提前预测并及早发现问题。
很多人会有疑问，数字孪生与汽车及零部件企业设计开发中几乎普遍使用的仿真技术是什么关系？“两者之间既有不同，又有密切的联系。”在北方大数据与人工智能研究院研究员曾文翔看来，首先，数字孪生需要依靠计算机仿真、实测、数据分析、工业互联网等技术对物体状态进行感知、诊断和预测以优化设计；其次，仿真技术作为创建和运行数字孪生的核心，是数字孪生实现数据交互与融合的基础，但由于仿真技术本身以离线方式模拟物体，不具备数字孪生的实时性、闭环性等特征及优化功能；最后，在此基础上，数字孪生必须依托并集成其他新技术，与传感器共同在线才能实现保真性、实时性与闭环性。
数字孪生成为全球风潮
其实，国外汽车及零部件企业也在加速应用数字孪生技术，进行了有价值的探索和应用。
“几乎所有跨国汽车及零部件企业都在引入数字孪生技术，特斯拉称得上是其中的佼佼者，看看该公司车型的智能化程度就能明白这一点，然而特斯拉对此基本闭口不谈，或用其他概念加以模糊处理。”刘继业表示，特斯拉汽车的设计和制造大量使用数字化技术几乎人所共知，但外界并不晓得其数字孪生研究与应用到底达到了何种程度。据悉，特斯拉及其关联企业Space X已大量应用数字孪生技术，并且特斯拉也招揽了不少相关的数字化人才。
记者还了解到，零部件巨头西门子通过数字孪生技术实现了高效的设计、制造：一是通过数字孪生，对产品进行数字化设计、仿真和验证产品的机械特性，实现了将汽车电气和电子系统一体化集成；二是基于数字孪生，规划和验证生产过程、工厂布局、选择生产设备并且进行仿真与预测，以及优化人员和制造过程的工作条件；三是在自动生成可编辑控制器的代码后，通过虚拟调试技术，在虚拟环境中验证自动化系统，从而实现快速高效的现场调试，随后利用数字孪生优化的结果，将可编辑控制器代码下载到车间的设备中，通过全集成自动化，实现高效可靠生产；四是通过数字孪生管理制造运行系统，实现排产、生产执行及质量检测，并持续对生产工艺和产品进行优化。
曾文翔介绍称，今年6月，博世新建并投产的德累斯顿芯片晶圆厂也应用了数字孪生技术，成为名副其实的数字化工厂。博世通过数字孪生技术，将来自于设备、传感器和产品的所有数据记录在一个中央数据库中，其每秒生成的生产数据相当于500页文本，一天的数据相当于4200万页文本。这座建筑面积达7.2万平方米的工厂，最终只需700名工程师即可运作。
同时，保护容易遭黑客入侵的智能汽车相关系统，也是数字孪生的一大专长。如今，智能汽车拥有多达150个电控单元及约1亿行软件代码，从而带来了网络安全隐患。以色列初创企业Cybellum推出了首款智能汽车网络数字孪生平台，以应对不断增加的智能汽车网络安全风险。据悉，该平台能使汽车制造商追踪监控智能汽车运行软件中的潜在漏洞，发现并进行修复，以保证智能汽车在整个生命周期的安全性。正因如此，韩国LG公司近日正在积极筹备收购Cybellum。
个性定制化优势凸显
今年8月23日，吉利汽车工业互联网正式发布。“打造一个无处不在的数字技术赋能平台，在未来5年内努力发展成为全行业数字化服务的世界级工业互联网平台，而数字孪生是其中的基础。”吉利汽车集团高级副总裁刘向阳表示，汽车行业正从传统赛道进入到数字化“高速公路”，利用工业互联网和数字孪生技术，助力C2M（用户直连制造）柔性定制，为汽车的个性化、定制化提供了基础支撑。
“目前，汽车行业将数字孪生应用于研发和生产方面，实际上随着技术逐步发展和成熟，它将为汽车个性化、定制化提供可能。这有些类似如今智能手机相对于传统手机实现的跨越，智能手机打造了一个移动互联网生态，数字孪生汽车也会催生类似的变革。”胡权认为。
“汽车行业有望全面应用数字孪生汽车理念，实现数字孪生研发和数字孪生制造。我们为此专门建立了‘数字孪生汽车实验室’，主攻一些关键核心技术。”刘继业表示，已有很多汽车及零部件企业都在推进数字化转型，数字孪生将成为未来汽车产业发展的助推器。
“基于增强现实技术的数字孪生互联网及相关的新业态，才是汽车行业的终局。”未来黑科技创始人、首席执行官徐俊峰介绍称，微软和苹果公司在增强现实的数字孪生互联网中的布局，包括感知、决策系统、芯片和光技术四大板块。
目前，华为也在研究光技术在汽车领域的应用。华为智能汽车解决方案部门首席运营官王军在日前举行的2021世界新能源汽车大会上透露，华为将把领先的光技术应用于汽车零部件领域，一方面是围绕人眼所及之处的场景化需求，打造AR-HUD（增强现实抬显显示）、座椅背显、智能车灯等多款光成像产品，改变人在车中的视觉体验。据介绍，智能车载光技术的应用，将推进车载显示从液晶屏时代进入超大屏的光成像时代。另一方面则是车内的通信系统，将从电信号转变为光信号。过去10多年来，华为在光通信领域的研究成果一直排名全球第一。这一切都离不开数字孪生技术的支撑。
据悉，宁德新能源科技有限公司、柳州五菱柳机动力有限公司等汽车及零部件企业凭借应用数字孪生及相关技术，入选了近日工信部公示的《2021年新一代信息技术与制造业融合发展试点示范名单》。
2020年4月，国家发展改革委、中央网信办联合印发了《关于推进“上云用数赋智”行动培育新经济发展实施方案的通知》，要求支持在具备条件的行业领域和企业范围探索数字孪生等新一代数字技术应用；开展数字孪生创新计划，聚焦数字孪生体专业化分工中的难点和痛点，引导各方参与提出数字孪生的解决方案。
“如果说汽车、能源等领域都有一个共性的技术支撑，那就是数字孪生。数字孪生技术的应用能够大大降低相关成本，找到共性的技术和应用，可为客户和消费者提供质优价廉的产品及服务。”胡权表示，在汽车“新四化”变革中，5G、云计算、大数据、人工智能都为数字孪生的应用提供了有利条件，数字孪生也将与这些新技术一道，打造一个有利于汽车产业发展的良好生态。数字孪生潮流涌动，正在形成蓬勃发展之势。“数字孪生技术尽管应用较快，但总体还处于发展过程中，能够规范和引领技术发展的相关标准仍是空白，亟待健全。”曾文翔补充说。
文：赵建国 编辑：庞国霞版式：李沛洋
来源：中国汽车报
