智能人机交互设计之数字孪生

数字孪生（ Digital Twin ）是近几年兴起的最前沿技术，简单而言就是利用物理模型，使用传感器获取数据的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应实体的全生命周期过程。在未来，物理世界中的各种事物都可以使用数字孪生技术进行复制，是智能化的一个重点研究方向。比如一个工厂在还未建造之前，就完成其厂房及产线等的数字化模型，从而在虚拟的空间中对工厂进行仿真和模拟，并通过数字化检测/测量系统等将真实参数传给实际的工厂建设。工房和产线建成之后，在日常的运维中二者继续进行信息交互，以完成监控、维护等工作。同理，产品设计中的数字孪生指的是，在产品未投入使用时便建立其数字模型，模拟仿真其使用情境，以优化设计（如我们现在的基于虚拟仿真技术的内饰设计 等），同时，在产品投入使用时，通过传感器等设备获取其实际使用过程中的各种重要参数，建立其数字孪生体（当然，此处的数字孪生体只提取真实产品的关键参数进行建模，并非将真实座椅的全部物理信息映射到数字孪生体中），并将这些数据传送到虚拟数字模型中，实现日常的运维中二者继续进行信息交互。

在设计阶段，利用数学孪生思想对产品进行虚拟仿真模拟，对产品的人机工效、力学性能等进行仿真，验证产品在真实环境中的性能以优化设计。值得注意的是，基于数字孪生的虚拟仿真不仅基于传统的CAD模型，它也是基于高保真的三维CAD模型，它被赋予了各种属性和功能定义，包括材料、CMF、感知系统、机器运动机理以及与人的多通道交互等产品全维度的信息，这些都通过内置于产品内的传感器实现。全方位信息的采集和馈送是智能设计的基础，从而实现交互过程中的实施信息反馈。

在服务阶段，通过实时数据采集的馈送，我们可以在真实产品的数字孪生体中监控产品的实时运行情况，以及其他用途。

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以一款座椅来说明基于数字孪生技术的智能产品设计。

（1）前期在设计软件中仿真分析座椅的人机工效、力学性能等信息。模拟座椅在真实场景中的使用情境，在概念设计阶段优化座椅的设计。

（2）搭建实体座椅模型，并安装好各种传感器，如测量人坐压的压力传感器，测量坐姿的接触面积传感器，内置的时钟等。同时，采集人使用座椅的数据。

（3）建立数据馈送机制，实现物理模型和数字模型的双向信息反馈。

（4）进一步研究。结合大数据、人工智能等技术，收集数据，进行智能产品设计改进等。如使用人工智能的深度学习方法预测人不同坐姿的舒适度等。