如果不能正確理解數(shù)字孿生技術(shù)的基本內(nèi)涵就囫圇吞棗地應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，很可能會(huì)“走入歧途”。
當(dāng)前，數(shù)字孿生（Digital twin）是各界關(guān)注的熱點(diǎn)，全球著名IT研究機(jī)構(gòu)Gartner曾在2017年至2019年連續(xù)三年將數(shù)字孿生列為十大新興技術(shù)之一。北京航空航天大學(xué)陶飛教授團(tuán)隊(duì)對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行了長(zhǎng)期的深入研究，撰寫了一批國(guó)際水準(zhǔn)的學(xué)術(shù)論文。近期，美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC）、IDC、埃森哲、中國(guó)信通院、賽迪等研究機(jī)構(gòu)相繼發(fā)表了相關(guān)白皮書，我國(guó)從政府主管部門到企業(yè)也十分關(guān)注數(shù)字孿生技術(shù)。
但是，當(dāng)前業(yè)界對(duì)于數(shù)字孿生技術(shù)還存在一些模糊甚至錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，給數(shù)字孿生技術(shù)披上了一層神秘的面紗。e-works認(rèn)為，如果不能正確理解數(shù)字孿生技術(shù)的基本內(nèi)涵就囫圇吞棗地應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，很可能會(huì)“走入歧途”。為此，本文希望結(jié)合工業(yè)界的應(yīng)用需求與實(shí)踐，厘清對(duì)數(shù)字孿生的基本認(rèn)識(shí)，引導(dǎo)企業(yè)正確理解和應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)。
01、關(guān)于數(shù)字孿生的內(nèi)涵
很多業(yè)界主流公司都對(duì)數(shù)字孿生給出了自己的理解和定義，對(duì)于數(shù)字孿生的來源，本文不再贅述。本文首先對(duì)Gartner在過去三年對(duì)數(shù)字孿生的論述進(jìn)行解讀。
2017年，Gartner在十大新興技術(shù)的專題對(duì)數(shù)字孿生的解釋是：數(shù)字孿生是實(shí)物或系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)軟件模型，在三到五年內(nèi)，數(shù)十億計(jì)的實(shí)物將通過數(shù)字孿生來表達(dá)。通過應(yīng)用實(shí)物的零部件運(yùn)行和對(duì)環(huán)境做出反應(yīng)的物理數(shù)據(jù)，以及來自傳感器的數(shù)據(jù)，數(shù)字孿生可用于分析和模擬實(shí)際運(yùn)行狀況，應(yīng)對(duì)變化，改善運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)增值。數(shù)字孿生所發(fā)揮的作用就像一個(gè)專業(yè)技師和傳統(tǒng)的監(jiān)控和控制器（例如壓力表）的結(jié)合體。推進(jìn)數(shù)字孿生應(yīng)用需要進(jìn)行文化變革，結(jié)合設(shè)備維護(hù)專家、數(shù)據(jù)科學(xué)家和IT專家的優(yōu)勢(shì)。將設(shè)備的數(shù)字孿生模型與生產(chǎn)設(shè)施、環(huán)境，以及人、業(yè)務(wù)和流程的數(shù)字表達(dá)結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界更加精確的數(shù)字表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)仿真、分析和控制。
△Gartner2017年發(fā)布的新興技術(shù)成熟度曲線
在Gartner2017年發(fā)布的新興技術(shù)成熟度曲線中，數(shù)字孿生處于創(chuàng)新萌發(fā)期，距離成熟應(yīng)用還有5-10年時(shí)間。
2018年，Gartner在十大新興技術(shù)專題中對(duì)數(shù)字孿生的解釋是：數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)世界實(shí)物或系統(tǒng)的數(shù)字化表達(dá)。隨著物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字孿生可以連接現(xiàn)實(shí)世界的對(duì)象，提供其狀態(tài)信息，響應(yīng)變化，改善運(yùn)營(yíng)并增加價(jià)值。到2020年，估計(jì)將有210億個(gè)傳感器和末端接入點(diǎn)連接在一起，在不久的將來，數(shù)十億計(jì)物體將擁有數(shù)字孿生模型。Gartner公司副總裁David Cearley指出，通過維修、維護(hù)與運(yùn)營(yíng)（MRO）以及通過物聯(lián)網(wǎng)提升設(shè)備運(yùn)營(yíng)績(jī)效，有望節(jié)省數(shù)十億美元。
短期內(nèi)，數(shù)字孿生將有助于資產(chǎn)管理，但最終將通過洞察產(chǎn)品使用情況，以及有哪些改善途徑，從而最終企業(yè)提升運(yùn)營(yíng)績(jī)效。
除了通過物聯(lián)網(wǎng)連接“物”，數(shù)字孿生連接的對(duì)象還有更多。“隨著時(shí)間的推移，我們這個(gè)世界的萬事萬物幾乎都可以與其數(shù)字對(duì)象動(dòng)態(tài)地相互連接，并能夠基于AI實(shí)現(xiàn)高級(jí)仿真、運(yùn)營(yíng)和分析，”Cearley指出。“從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，從事城市規(guī)劃、數(shù)字營(yíng)銷、醫(yī)療保健和工業(yè)規(guī)劃的專業(yè)人士都將在向集成的數(shù)字孿生世界轉(zhuǎn)型中獲益。”例如，未來的人類數(shù)字模型可以提供生物識(shí)別和醫(yī)療數(shù)據(jù)，而整個(gè)城市的數(shù)字孿生模型將能夠?qū)崿F(xiàn)高級(jí)模擬。
從2018年Gartner發(fā)布的新興技術(shù)成熟度曲線中可以看出，數(shù)字孿生已經(jīng)進(jìn)入了過熱期，其建設(shè)和預(yù)期出現(xiàn)了高峰，超出其當(dāng)前能力，會(huì)形成投資泡沫。
△Gartner2018年發(fā)布的新興技術(shù)成熟度曲線
2019年，Gartner在十大新興技術(shù)專題中對(duì)數(shù)字孿生的解釋如下：
數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)生活中物體、流程或系統(tǒng)的數(shù)字鏡像。大型系統(tǒng)，例如發(fā)電廠或城市也可以創(chuàng)建其數(shù)字孿生模型。數(shù)字孿生的想法并不新，可以回溯到用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)來表述產(chǎn)品，或者建立客戶的在線檔案，但是如今的數(shù)字孿生有以下四點(diǎn)不同：
模型的健壯性，聚焦于如何支持特定的業(yè)務(wù)成果；
與現(xiàn)實(shí)世界的連接，具有實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制的潛力；
應(yīng)用高級(jí)大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)來獲取新的商機(jī)；
數(shù)字孿生模型與實(shí)物模型的交互，并評(píng)估各種場(chǎng)景如何應(yīng)對(duì)的能力。
當(dāng)前的重點(diǎn)是基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的數(shù)字孿生，可以通過提供維護(hù)和可靠性信息，洞察產(chǎn)品如何更有效地運(yùn)行和有關(guān)新產(chǎn)品和提高效率的數(shù)據(jù)，以改善企業(yè)決策。組織的數(shù)字孿生正在興起，以通過創(chuàng)建組織的流程模型，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并提高流程效率。
從上述分析中可以看出，Gartner對(duì)于數(shù)字孿生的理解也有一個(gè)不斷演進(jìn)的過程，而數(shù)字孿生的應(yīng)用主體也不局限于基于物聯(lián)網(wǎng)來洞察和提升產(chǎn)品的運(yùn)行績(jī)效，而是延伸到更廣闊的領(lǐng)域，例如工廠的數(shù)字孿生、城市的數(shù)字孿生，甚至組織的數(shù)字孿生。
全球著名PLM研究機(jī)構(gòu)CIMdata認(rèn)為：數(shù)字孿生模型不可能單獨(dú)存在；可以有多個(gè)針對(duì)不同用途的數(shù)字孿生模型，每個(gè)都有其特定的特征，例如數(shù)據(jù)分析數(shù)字孿生模型、MRO數(shù)字孿生模型、財(cái)務(wù)數(shù)字孿生模型、工程孿生模型以及工程仿真數(shù)據(jù)孿生模型；每個(gè)數(shù)字孿生模型必須有一個(gè)對(duì)應(yīng)的物理實(shí)體，數(shù)字孿生模型可以而且應(yīng)該先于物理實(shí)體而存在；物理實(shí)體可以是工廠、船舶、基礎(chǔ)設(shè)施、汽車或任何類型的產(chǎn)品；每個(gè)數(shù)字孿生模型必須與其對(duì)應(yīng)物理實(shí)體有某些形式的數(shù)據(jù)交互，但不必是實(shí)時(shí)或電子形式。
GE Digital認(rèn)為：數(shù)字孿生是資產(chǎn)和流程的軟件表示，用于理解、預(yù)測(cè)和優(yōu)化績(jī)效以改善業(yè)務(wù)成果。數(shù)字孿生由三部分組成：數(shù)據(jù)模型、一組分析工具或算法，以及知識(shí)。
西門子認(rèn)為：數(shù)字孿生是物理產(chǎn)品或流程的虛擬表示，用于理解和預(yù)測(cè)物理對(duì)象或產(chǎn)品的性能特征。數(shù)字孿生用于在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，在物理原型和資產(chǎn)投資之前模擬、預(yù)測(cè)和優(yōu)化產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)。
SAP認(rèn)為：數(shù)字孿生是物理對(duì)象或系統(tǒng)的虛擬表示，但其遠(yuǎn)遠(yuǎn)不僅是一個(gè)高科技的外觀。數(shù)字孿生使用數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和物聯(lián)網(wǎng)來幫助企業(yè)優(yōu)化、創(chuàng)新和提供新服務(wù)。
PTC認(rèn)為：數(shù)字孿生（PTC翻譯為數(shù)字映射）正在成為企業(yè)從數(shù)字化轉(zhuǎn)型舉措中獲益的最佳途徑。對(duì)于工業(yè)企業(yè)，數(shù)字孿生主要應(yīng)用于產(chǎn)品的工程設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)和服務(wù)，帶來重要的商業(yè)價(jià)值,并為整個(gè)企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型奠定基礎(chǔ)。
陶飛教授指出：當(dāng)前對(duì)數(shù)字孿生存在多種不同認(rèn)識(shí)和理解，目前尚未形成統(tǒng)一共識(shí)的定義，但物理實(shí)體、虛擬模型、數(shù)據(jù)、連接和服務(wù)是數(shù)字孿生的核心要素。不同階段（如產(chǎn)品的不同生命周期）的數(shù)字孿生呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)字孿生的認(rèn)識(shí)與實(shí)踐離不開具體對(duì)象、具體應(yīng)用與具體需求。從應(yīng)用和解決實(shí)際需求的角度出發(fā)，實(shí)際應(yīng)用過程中不一定要求所建立的“數(shù)字孿生”具備所有理想特征，能滿足用戶的具體需求即可。
在趙敏先生和寧振波先生撰寫的《鑄魂：軟件定義制造》一書中指出，數(shù)字孿生是實(shí)踐先行，概念后成；數(shù)字孿生模型可以與實(shí)物模型高度相像，而不可能相等；數(shù)字孿生模型和實(shí)物模型也不是一個(gè)簡(jiǎn)單的一對(duì)一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而可能存在一對(duì)多，多對(duì)一、多對(duì)多，甚至一對(duì)少，一對(duì)零和零對(duì)一等多種對(duì)應(yīng)關(guān)系。
結(jié)合學(xué)術(shù)界的研究和工業(yè)界的實(shí)踐，e-works認(rèn)為，數(shù)字孿生并不是一種單元的數(shù)字化技術(shù)，而是在多種使能技術(shù)迅速發(fā)展和交叉融合基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建物理實(shí)體所對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生模型，并對(duì)數(shù)字孿生模型進(jìn)行可視化、調(diào)試、體驗(yàn)、分析與優(yōu)化，從而提升物理實(shí)體性能和運(yùn)行績(jī)效的綜合性技術(shù)策略，是企業(yè)推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心戰(zhàn)略舉措之一。
02、數(shù)字孿生的基本特征
數(shù)字孿生的基本特征是虛實(shí)映射。通過對(duì)物理實(shí)體構(gòu)建數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)物理模型和數(shù)字孿生模型的雙向映射。構(gòu)建數(shù)字孿生模型不是目的，而是手段，需要通過對(duì)數(shù)字孿生模型的分析與優(yōu)化，來改善其對(duì)應(yīng)的物理實(shí)體的性能和運(yùn)行績(jī)效。
任何物理實(shí)體都可以創(chuàng)建其數(shù)字孿生模型，一個(gè)零件、一個(gè)部件、一個(gè)產(chǎn)品、一臺(tái)設(shè)備、一把加工刀具、一條生產(chǎn)線、一個(gè)車間、一座工廠、一個(gè)建筑、一座城市，乃至一顆心臟、一個(gè)人體等。對(duì)于不同的物理實(shí)體，其數(shù)字孿生模型的用途和側(cè)重點(diǎn)差異很大。
例如，達(dá)索系統(tǒng)幫助新加坡構(gòu)建了數(shù)字城市，建立了一座城市的數(shù)字孿生模型，不僅包括了地理信息的三維模型，各種建筑的三維模型，還包括了各種地下管線的三維模型。該模型作為城市的數(shù)字化檔案，可以用于優(yōu)化城市交通，便于各種公共設(shè)施的維護(hù)。Biodigital公司創(chuàng)建了生物數(shù)字人體模擬演示的在線平臺(tái)，可以幫助醫(yī)生和科學(xué)家研究人體構(gòu)造，進(jìn)行模擬試驗(yàn)。在太空探索的過程中，科學(xué)家通過數(shù)字孿生模型對(duì)遠(yuǎn)在太空的航天器，例如登陸火星的“好奇號(hào)”火星車進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、仿真與操控。顯然，物理實(shí)體的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生模型也會(huì)越復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生應(yīng)用的難度也更大。
△圖源：達(dá)索系統(tǒng)（新加坡數(shù)字城市）
03、數(shù)字孿生的關(guān)鍵使能技術(shù)
數(shù)字孿生迅速成為熱潮，源于數(shù)字化設(shè)計(jì)、虛擬仿真和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）等關(guān)鍵使能技術(shù)的蓬勃發(fā)展與交叉融合。
數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)從早期的二維設(shè)計(jì)發(fā)展到三維建模，從三維線框造型進(jìn)化到三維實(shí)體造型、特征造型，產(chǎn)生了諸如直接建模、同步建模、混合建模等技術(shù)，以及面向建筑與施工行業(yè)的BIM技術(shù)（建筑信息模型）。三維建模技術(shù)不光用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，并且可以實(shí)現(xiàn)三維工藝設(shè)計(jì)。產(chǎn)品的三維模型中不僅包括幾何信息、裝配關(guān)系，還包括PMI（產(chǎn)品制造信息，包括尺寸、公差、形位公差、粗糙度和材料規(guī)格等信息）等制造信息，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)MBD（基于模型的產(chǎn)品定義）。
為了支持產(chǎn)品三維模型的快速瀏覽，可以從包含三維工藝特征的完整三維特征模型中，抽取出僅包括幾何信息的輕量化三維模型。基于三維造型和三維顯示技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）取得了蓬勃發(fā)展，廣泛用于汽車、飛機(jī)、工廠等復(fù)雜對(duì)象的虛擬體驗(yàn)，包括沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)Cave，用于產(chǎn)品展示和市場(chǎng)推廣的三維渲染技術(shù)，以及基于視景仿真的模擬駕駛技術(shù)等。近年來又發(fā)展起來增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR)，其特點(diǎn)是可以將實(shí)物模型和數(shù)字化模型融合在一個(gè)可視化環(huán)境之中，從而實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的可視化，還可以進(jìn)行產(chǎn)品操作、裝拆及維修過程的三維可視化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品操作培訓(xùn)、維修維護(hù)等應(yīng)用。
虛擬仿真技術(shù)從早期的有限元分析發(fā)展到對(duì)流場(chǎng)、熱場(chǎng)、電磁場(chǎng)等多個(gè)物理場(chǎng)的仿真，多領(lǐng)域物理建模，對(duì)振動(dòng)、碰撞、噪聲、爆炸等各種物理現(xiàn)象的仿真，對(duì)產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)仿真，及材料力學(xué)、彈性力學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，對(duì)產(chǎn)品長(zhǎng)期使用的疲勞仿真，對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的系統(tǒng)仿真，以及針對(duì)注塑、鑄造、焊接、折彎和沖壓等各種加工工藝的仿真，以及裝配仿真，幫助產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)整體性能最優(yōu)的多學(xué)科仿真與優(yōu)化，針對(duì)數(shù)控加工和工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真（其中數(shù)控仿真又可以分為僅仿真刀具軌跡，以及仿真整個(gè)工件、刀具和數(shù)控裝備的運(yùn)動(dòng)），還有面向工廠的設(shè)備布局、產(chǎn)線、物流和人因工程仿真。如果從仿真的對(duì)象來區(qū)分，虛擬仿真技術(shù)可以分為產(chǎn)品性能仿真、制造工藝仿真和數(shù)字化工廠仿真。
在數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)發(fā)展和集成應(yīng)用的過程中，產(chǎn)生了Digital Mockup（DMU，數(shù)字原型）、Digital Prototyping（數(shù)字樣機(jī)）、Virtual Prototype（虛擬樣機(jī)）、Functional Virtual Prototype（全功能虛擬樣機(jī)）等技術(shù)，主要是用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)仿真、裝配仿真和性能仿真。通過對(duì)數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，可以減少物理樣機(jī)和物理試驗(yàn)的數(shù)量，從而降低產(chǎn)品研發(fā)和試制成本，提高研發(fā)效率。
另一方面，隨著傳感器技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，二十一世紀(jì)以來，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用越來越廣。除在消費(fèi)領(lǐng)域應(yīng)用之外，為了支持高價(jià)值工業(yè)設(shè)備的運(yùn)行監(jiān)控和維修維護(hù)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIOT）開始受到業(yè)界廣泛關(guān)注。IIOT采集的數(shù)據(jù)類型和采集頻率比普通的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用高得多，而應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型和分析方法也比普通的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用復(fù)雜得多。
在學(xué)術(shù)界的研究和GE、西門子等工業(yè)巨頭的示范效應(yīng)驅(qū)動(dòng)下，數(shù)字孿生技術(shù)開始受到廣泛關(guān)注。2016年6月，我在美國(guó)參加西門子工業(yè)軟件一年一度的全球媒體與分析師會(huì)議時(shí)，西門子應(yīng)用了Digital Twin、Digital Thread（數(shù)字主線）等術(shù)語。我當(dāng)時(shí)建議他們對(duì)這些名詞術(shù)語給予解釋，后來西門子給我發(fā)來對(duì)十多個(gè)名詞的解釋，e-works專門對(duì)這些名詞術(shù)語進(jìn)行了翻譯，發(fā)表了一篇文章。
從數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展背景可以看出，數(shù)字孿生模型是相對(duì)于其物理模型而言的?？梢韵冉?shù)字孿生模型，應(yīng)用數(shù)字孿生模型來進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，但最終還是要建立物理模型，通過對(duì)數(shù)字孿生的分析，來優(yōu)化物理模型的運(yùn)行。
除了上述技術(shù)，工業(yè)大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)也是數(shù)字孿生的關(guān)鍵使能技術(shù)。
需要強(qiáng)調(diào)的是，數(shù)字孿生的關(guān)鍵使能技術(shù)在數(shù)字孿生誕生之前就已經(jīng)存在。而數(shù)字孿生的應(yīng)用，又促進(jìn)了這些關(guān)鍵使能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
04、產(chǎn)品的數(shù)字孿生和工廠的數(shù)字孿生
不同物理實(shí)體的數(shù)字孿生應(yīng)用重點(diǎn)差別很大。
產(chǎn)品數(shù)字孿生應(yīng)用的重點(diǎn)在于復(fù)雜的機(jī)電軟一體化裝備，例如發(fā)電設(shè)備、工程機(jī)械、機(jī)械加工中心、高端醫(yī)療設(shè)備、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)、衛(wèi)星、船舶、軌道交通裝備、電梯、通信設(shè)備，以及能夠?qū)崿F(xiàn)智能互聯(lián)的通信終端產(chǎn)品。
在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造生命周期，可以通過在實(shí)物樣機(jī)上安裝傳感器，在樣機(jī)測(cè)試的過程中，將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳遞到產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型，通過對(duì)數(shù)字孿生模型進(jìn)行仿真和優(yōu)化，從而改進(jìn)和提升最終定型產(chǎn)品的性能；還可以通過半實(shí)物仿真的方式，部分零部件采用數(shù)字孿生模型，部分零件采用物理模型來進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真和試驗(yàn)，驗(yàn)證和優(yōu)化產(chǎn)品性能。另一方面，在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)，大多數(shù)零部件會(huì)重用前一代產(chǎn)品的零部件，如果老產(chǎn)品已經(jīng)建立了關(guān)鍵零部件的數(shù)字孿生模型，同樣也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行重用，從而提升新產(chǎn)品研發(fā)效率和質(zhì)量。
產(chǎn)品服役的生命周期是產(chǎn)品的數(shù)字孿生應(yīng)用最核心的階段。尤其是對(duì)于長(zhǎng)壽命的復(fù)雜裝備，通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，并與其數(shù)字孿生模型在相同工況下的仿真結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，可以分析出該設(shè)備的運(yùn)行是否正常，運(yùn)行績(jī)效如何，是否需要更換零部件，并可以結(jié)合人工智能技術(shù)分析設(shè)備的健康程度，進(jìn)行故障預(yù)測(cè)等。對(duì)于高端裝備產(chǎn)品，其數(shù)字孿生模型應(yīng)當(dāng)包括每一個(gè)實(shí)物產(chǎn)品服役的全生命周期數(shù)字化檔案。
在產(chǎn)品的報(bào)廢回收再利用生命周期，可以根據(jù)產(chǎn)品的使用履歷、維修BOM和更換備品備件的記錄，結(jié)合數(shù)字孿生模型的仿真結(jié)果，來判斷哪些零件可以進(jìn)行再利用和再制造。例如SpaceX公司的一級(jí)火箭實(shí)現(xiàn)了復(fù)用，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，可以更加準(zhǔn)確地判斷哪些零部件可以復(fù)用，從而大大降低了火箭發(fā)射的成本。
工廠的數(shù)字孿生應(yīng)用也分為三個(gè)方面：在新工廠建設(shè)之前，可以通過數(shù)字化工廠仿真技術(shù)來對(duì)構(gòu)建工廠的數(shù)字孿生模型，并對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)和產(chǎn)線進(jìn)行虛擬調(diào)試；在工廠建設(shè)期間，數(shù)字孿生模型可以作為現(xiàn)場(chǎng)施工的指南，還可以應(yīng)用AR等技術(shù)在施工現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)施工；而在工廠建成之后正式運(yùn)行期間，可以通過其數(shù)字孿生模型對(duì)實(shí)體工廠的生產(chǎn)設(shè)備、物流設(shè)備、檢測(cè)與試驗(yàn)設(shè)備、產(chǎn)線和儀表的運(yùn)行狀態(tài)與績(jī)效，以及生產(chǎn)質(zhì)量、產(chǎn)量、能耗、工業(yè)安全等關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析與優(yōu)化，從而幫助工廠提高產(chǎn)能、提升質(zhì)量、降低能耗，并消除安全隱患，避免安全事故。
目前，已有很多企業(yè)建立了生產(chǎn)監(jiān)控與指揮系統(tǒng)，對(duì)車間進(jìn)行視頻監(jiān)控，顯示設(shè)備狀態(tài)（停機(jī)、正常、預(yù)警和報(bào)警等），展示各種分析報(bào)表和圖表等。構(gòu)建數(shù)字孿生工廠可以進(jìn)一步提升工廠運(yùn)行的透明度。然而，要構(gòu)建工廠完整的高保真數(shù)字孿生模型，需要工廠的建筑、產(chǎn)線、設(shè)備和產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型，難度很大。設(shè)備和產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型構(gòu)建，有賴于廠商提供相關(guān)數(shù)據(jù)，僅僅通過立體相機(jī)拍照，通過逆向工程構(gòu)建的車間三維模型精度很低，而且也只包括外觀的三維模型。但是，即便是僅僅基本的示意性的低精度的工廠數(shù)字孿生模型，對(duì)于工廠管理者實(shí)時(shí)洞察生產(chǎn)、質(zhì)量和能耗情況，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，避免非計(jì)劃停機(jī)，也具有實(shí)用價(jià)值。
需要強(qiáng)調(diào)的是，對(duì)于一個(gè)已經(jīng)建成投產(chǎn)的工廠，在工廠運(yùn)行過程中，其數(shù)字孿生工廠所顯示的所有數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，均來自真實(shí)的物理工廠，而非仿真結(jié)果。毫無疑問，要構(gòu)建數(shù)字孿生工廠，需要實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集和車間聯(lián)網(wǎng)（M2M）。
下圖是美的集團(tuán)的數(shù)字孿生工廠應(yīng)用實(shí)例。
△美的集團(tuán)數(shù)字孿生工廠應(yīng)用實(shí)例
數(shù)字孿生工廠對(duì)于離散制造企業(yè)和流程制造企業(yè)都有十分重要的價(jià)值。在考察英國(guó)Aveva公司時(shí)，我們觀摩了該公司對(duì)于化工廠和無人海上鉆井平臺(tái)的數(shù)字孿生應(yīng)用展示，數(shù)字孿生應(yīng)用對(duì)于工廠的安全運(yùn)營(yíng)具有重要意義。
產(chǎn)品數(shù)字孿生模型與工廠數(shù)字孿生模型在產(chǎn)品的制造過程中可以實(shí)現(xiàn)融合應(yīng)用。在推進(jìn)工廠的數(shù)字孿生應(yīng)用時(shí)，如果有高保真的產(chǎn)品數(shù)字孿生模型，并且在此基礎(chǔ)上能夠構(gòu)建產(chǎn)品的制造、裝配、包裝、測(cè)試等工藝的數(shù)字孿生模型，以及各種刀具和工裝夾具的數(shù)字孿生模型，則可以在數(shù)字化工廠環(huán)境中，更加精準(zhǔn)地對(duì)產(chǎn)品制造過程進(jìn)行分析和優(yōu)化。
05、產(chǎn)品數(shù)字孿生模型的演進(jìn)和數(shù)字主線
產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型是一個(gè)“不斷生長(zhǎng)、不斷豐富”的過程，在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中，從產(chǎn)品的需求信息、功能信息、材料信息、使用環(huán)境信息、結(jié)構(gòu)信息、裝配信息、工藝信息、測(cè)試信息到維護(hù)信息，不斷擴(kuò)展，不斷豐富，不斷完善。數(shù)字孿生模型越完整，就越能夠逼近其對(duì)應(yīng)的實(shí)體對(duì)象，從而對(duì)實(shí)體對(duì)象進(jìn)行可視化、分析、優(yōu)化。
如果把產(chǎn)品全生命周期各類數(shù)字孿生模型比喻為散亂的珍珠，那么將這些珍珠串起來的鏈子，就是數(shù)字主線（Digital Thread）。數(shù)字主線不僅可以串起各個(gè)階段的數(shù)字孿生模型，也包括產(chǎn)品全生命周期的信息，確保在發(fā)生變更時(shí)，各類產(chǎn)品信息的一致性。
CIMdata認(rèn)為，數(shù)字主線是一種信息交互的框架，能夠打通原來多個(gè)豎井式的業(yè)務(wù)視角，連通設(shè)備生命周期數(shù)據(jù)（也就是其數(shù)字孿生模型）的互聯(lián)數(shù)據(jù)流和集成視圖。數(shù)字主線通過強(qiáng)大的端到端的互聯(lián)系統(tǒng)模型和基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)流程來支撐和支持。波音公司開展了數(shù)字孿生和數(shù)字主線應(yīng)用實(shí)踐，提出基于模型企業(yè)（MBE）“鉆石模型”。
△波音公司提出的基于模型企業(yè)的“鉆石模型”
對(duì)產(chǎn)品數(shù)字孿生模型的仿真分析，可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品出現(xiàn)了什么問題。但如果要探究為什么出現(xiàn)問題，還需要依靠數(shù)字主線把各個(gè)階段的數(shù)字孿生模型串起，來進(jìn)行整合分析。
△數(shù)字孿生與數(shù)字主線（來源：PTC）
埃森哲在其發(fā)表的《數(shù)字孿生：打造生力產(chǎn)品，重塑客戶體驗(yàn)》白皮書中非常強(qiáng)調(diào)數(shù)字主線和數(shù)字孿生的密切聯(lián)系。所謂生力產(chǎn)品指的是Live Product。埃森哲認(rèn)為，數(shù)字主線是貫穿于公司各個(gè)職能部門和產(chǎn)品生命周期的信息流，涵蓋產(chǎn)品構(gòu)思、設(shè)計(jì)、供應(yīng)鏈、制造、售后服務(wù)等各個(gè)環(huán)節(jié)，乃至外部的供應(yīng)商、合作伙伴、和客戶產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，使其能對(duì)產(chǎn)品及其運(yùn)行提供全景的動(dòng)態(tài)信息，賦能數(shù)字孿生的開發(fā)和更新。數(shù)字主線使得產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)維過程中所使用的流程以及所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)能夠鏈接、追溯和管理；而數(shù)字孿生是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)至運(yùn)維的整個(gè)生命周期內(nèi)，使用經(jīng)過數(shù)字主線管控的數(shù)據(jù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行建模、對(duì)產(chǎn)品的性能、行為進(jìn)行仿真、預(yù)測(cè)、診斷和反饋。
06、數(shù)字孿生在制造業(yè)的典型應(yīng)用場(chǎng)景
數(shù)字孿生技術(shù)在各個(gè)行業(yè)有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。陶飛教授團(tuán)隊(duì)在《計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)》2018年第1期刊登的“數(shù)字孿生及其應(yīng)用探索”一文中，歸納了14種應(yīng)用場(chǎng)景，后來又在論文中介紹了數(shù)字孿生在航空航天、電力、汽車、石油天然氣、健康醫(yī)療、船舶航運(yùn)、城市管理、智慧農(nóng)業(yè)、建筑建設(shè)、安全急救、環(huán)境保護(hù)等11個(gè)領(lǐng)域，45個(gè)細(xì)分類的應(yīng)用。
△數(shù)字孿生的工業(yè)應(yīng)用（來源：陶飛教授）
e-works認(rèn)為，數(shù)字孿生在制造業(yè)的應(yīng)用前景廣闊。其中，產(chǎn)品的數(shù)字孿生應(yīng)用覆蓋產(chǎn)品的研發(fā)、工藝規(guī)劃、制造、測(cè)試、運(yùn)維等各個(gè)生命周期，可以幫助企業(yè)推進(jìn)數(shù)字化營(yíng)銷和自助式服務(wù)，有助于企業(yè)提升維護(hù)服務(wù)收入，創(chuàng)新商業(yè)模式；工廠數(shù)字孿生在工廠設(shè)計(jì)、建造，生產(chǎn)線調(diào)試、安裝，工廠運(yùn)行監(jiān)控、工業(yè)安全等方面都可以對(duì)企業(yè)帶來價(jià)值；數(shù)字孿生在供應(yīng)鏈管理領(lǐng)域也可以應(yīng)用，例如車間物流調(diào)度、運(yùn)輸路徑優(yōu)化等。
以下介紹一些數(shù)字孿生在制造業(yè)的典型應(yīng)用：
①產(chǎn)品的運(yùn)行監(jiān)控和智能運(yùn)維。
對(duì)于能夠?qū)崿F(xiàn)智能互聯(lián)的復(fù)雜產(chǎn)品，尤其是高端智能裝備，將實(shí)時(shí)采集的裝備運(yùn)行過程中的傳感器數(shù)據(jù)傳遞到其數(shù)字孿生模型進(jìn)行仿真分析，可以對(duì)裝備的健康狀態(tài)和故障征兆進(jìn)行診斷，并進(jìn)行故障預(yù)測(cè)；如果產(chǎn)品運(yùn)行的工況發(fā)生改變，對(duì)于擬采取的調(diào)整措施，可以先對(duì)其數(shù)字孿生模型在仿真云平臺(tái)上進(jìn)行虛擬驗(yàn)證，如果沒有問題，再對(duì)實(shí)際產(chǎn)品的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。下圖是ANSYS的數(shù)字孿生技術(shù)在風(fēng)電行業(yè)應(yīng)用的案例。通過應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，可以幫助風(fēng)電企業(yè)避免非計(jì)劃性停機(jī)，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)和運(yùn)行控制與優(yōu)化。
△ANSYS在風(fēng)電行業(yè)的數(shù)字孿生應(yīng)用案例
對(duì)于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字孿生應(yīng)用，由于每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行履歷不同，飛行的環(huán)境不同，健康服役的壽命，以及維護(hù)歷史差別很大，因此，應(yīng)當(dāng)對(duì)每臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)建立其對(duì)應(yīng)的數(shù)字孿生模型。GE航空對(duì)于正在空中運(yùn)行的航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦出現(xiàn)故障隱患，可以通過對(duì)數(shù)字孿生模型的分析來預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，及時(shí)進(jìn)行維修維護(hù)，顯著提升了飛行安全。GE航空通過數(shù)字孿生模型記錄了每臺(tái)航空發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)架次的飛行路線、承載量，以及不同飛行員的駕駛習(xí)慣和對(duì)應(yīng)的油耗，通過分析和優(yōu)化，可以延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的服役周期，并改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)方案。
△GE航空的數(shù)字孿生應(yīng)用
在數(shù)字孿生應(yīng)用領(lǐng)域，GE與ANSYS公司開展了戰(zhàn)略合作。通過數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的健康管理、遠(yuǎn)程診斷、智能維護(hù)和共享服務(wù)。通過結(jié)合傳感器數(shù)據(jù)和仿真技術(shù)，幫助客戶分析特定的工作條件并預(yù)測(cè)故障，從而節(jié)約運(yùn)維成本。GE航空通過匯總設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行、完整飛行周期的相關(guān)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能表現(xiàn)：
○將發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器數(shù)據(jù)與性能模型結(jié)合，根據(jù)運(yùn)行環(huán)境的變化和物理發(fā)動(dòng)機(jī)性能的衰減，構(gòu)建自適應(yīng)模型，精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的部件和整機(jī)性能；
○將發(fā)動(dòng)機(jī)歷史維修數(shù)據(jù)中的故障模式注入三維結(jié)構(gòu)模型和性能模型,構(gòu)建故障模型，應(yīng)用于故障診斷和預(yù)測(cè)；
○將航空公司歷史飛行數(shù)據(jù)與性能模型結(jié)合并融合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，構(gòu)建性能預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)整機(jī)性能和剩余壽命；
○將局部線性化模型與飛機(jī)運(yùn)行狀態(tài)環(huán)境模型融合并構(gòu)建控制優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)控制性能尋優(yōu)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行過程中發(fā)揮更好的性能。
西門子將來自智能傳感器的溫度、加速度、壓力和電磁場(chǎng)等信號(hào)和數(shù)據(jù)，以及來自數(shù)字孿生模型中的多物理場(chǎng)模型和電磁場(chǎng)仿真和溫度場(chǎng)仿真結(jié)果傳遞到Mindsphere平臺(tái)，通過進(jìn)行對(duì)比和評(píng)估，來判斷產(chǎn)品的可用性、運(yùn)行績(jī)效和是否需要更換備件。
△西門子的數(shù)字孿生應(yīng)用案例
在復(fù)雜裝備的運(yùn)維方面，可以通過AR技術(shù)，基于產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型生成產(chǎn)品操作、裝配或拆卸的三維動(dòng)畫。在實(shí)物環(huán)境下，透過各種穿戴設(shè)備或移動(dòng)終端進(jìn)行示教。PTC提供了先進(jìn)易用的AR應(yīng)用平臺(tái)。
②工廠運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)模擬和遠(yuǎn)程監(jiān)控。
對(duì)于正在運(yùn)行的工廠，通過其數(shù)字孿生模型可以實(shí)現(xiàn)工廠運(yùn)行的可視化。包括生產(chǎn)設(shè)備目前的狀態(tài)，在加工什么訂單，設(shè)備和產(chǎn)線的OEE、產(chǎn)量、質(zhì)量與能耗等，還可以定位每一臺(tái)物流裝備的位置和狀態(tài)。對(duì)于出現(xiàn)故障的設(shè)備，可以顯示出具體的故障類型。華龍訊達(dá)應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，在煙草行業(yè)進(jìn)行了工廠運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)模擬和遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)踐，中煙集團(tuán)在北京就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)分布在各地的工廠進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。海爾、美的在工廠的數(shù)字孿生應(yīng)用方面也開展了卓有成效的實(shí)踐。
③生產(chǎn)線虛擬調(diào)試。
在虛擬調(diào)試領(lǐng)域，西門子公司及上海智參、廣州明珞等合作伙伴已開展了很多實(shí)踐。虛擬調(diào)試技術(shù)在數(shù)字化環(huán)境中建立生產(chǎn)線的三維布局，包括工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)化設(shè)備、PLC和傳感器等設(shè)備。在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試之前，可以直接在虛擬環(huán)境下，對(duì)生產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)、工藝仿真和電氣調(diào)試，讓設(shè)備在未安裝之前已經(jīng)完成調(diào)試。
應(yīng)用虛擬調(diào)試技術(shù)，在虛擬調(diào)試階段，將控制設(shè)備連接到虛擬站/線；完成虛擬調(diào)試后，控制設(shè)備可以快速切換到實(shí)際生產(chǎn)線；可隨時(shí)切換到虛擬環(huán)境，分析、修正和驗(yàn)證正在運(yùn)行的生產(chǎn)線上的問題，避免長(zhǎng)時(shí)間且昂貴的生產(chǎn)停頓。
虛擬調(diào)試技術(shù)對(duì)企業(yè)的價(jià)值體現(xiàn)在：早期驗(yàn)證優(yōu)化研發(fā)+工藝+制造的可行性，減少物理樣機(jī)投入成本；減少去用戶現(xiàn)場(chǎng)做機(jī)器人調(diào)試時(shí)間和出錯(cuò)率，節(jié)約出差成本；虛實(shí)融合后為整個(gè)工廠的數(shù)字孿生打好基礎(chǔ)，工廠建成之后可以與SCADA系統(tǒng)融合，打造基于三維模型的可視化監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工廠的數(shù)字孿生。
Maplesoft公司的MapleSim平臺(tái)提供了一體化的生產(chǎn)線虛擬調(diào)試解決方案。2019年，羅克韋爾自動(dòng)化公司并購(gòu)了Emulate3D軟件，作為羅克韋爾Factorytalk/DesignSuite軟件的一部分，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行虛擬仿真和虛擬調(diào)試，還可以利用工廠的數(shù)字孿生模型對(duì)員工進(jìn)行培訓(xùn)，降低工廠運(yùn)營(yíng)的風(fēng)險(xiǎn)。
△Emulate3D和MapleSim虛擬調(diào)試平臺(tái)
美的集團(tuán)旗下的美云智數(shù)的MIoT.VC系統(tǒng)提供了基于數(shù)字孿生的虛擬調(diào)試解決方案。其組件庫內(nèi)置1400多個(gè)機(jī)器人組件，內(nèi)置KUKA、ABB、安川、川崎等各主流機(jī)器人協(xié)議；可以通過圖形示教，可以快速進(jìn)行機(jī)器人姿態(tài)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)路徑干涉檢查和姿態(tài)合理性分析；支持機(jī)器人姿態(tài)和軌跡的離線編程與虛擬調(diào)試，與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)聯(lián)機(jī)；支持噴涂、焊接等機(jī)器人動(dòng)作示教、離線編程及虛擬調(diào)試。該系統(tǒng)支持OPC-UA和西門子S7兩大工業(yè)協(xié)議。
△美云智數(shù)的MIOT.VC虛擬調(diào)試系統(tǒng)
④機(jī)電軟一體化復(fù)雜產(chǎn)品研發(fā)。
對(duì)于高度復(fù)雜的機(jī)電軟一體化產(chǎn)品，可以在研發(fā)階段通過構(gòu)建產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型，并通過工程仿真技術(shù)的應(yīng)用加速產(chǎn)品的研發(fā),幫助企業(yè)以更少的成本和更快的速度將創(chuàng)新技術(shù)推向市場(chǎng)。運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，能夠綜合利用結(jié)構(gòu)、熱學(xué)、電磁、流體和控制等仿真軟件進(jìn)行單物理場(chǎng)仿真和多場(chǎng)耦合仿真，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、確認(rèn)和驗(yàn)證，還可以構(gòu)建精確的綜合仿真模型來分析實(shí)際產(chǎn)品的性能，實(shí)現(xiàn)持續(xù)創(chuàng)新。通過結(jié)合創(chuàng)成設(shè)計(jì)技術(shù)(Generative Design)、增材制造技術(shù)、半實(shí)物仿真技術(shù)，可以顯著縮短產(chǎn)品上市周期。
GE公司認(rèn)為，從概念設(shè)計(jì)階段開始推進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的數(shù)字孿生應(yīng)用，更容易地將設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)模型與運(yùn)行數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，同時(shí)，還有助于優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高生產(chǎn)效率。精航偉泰測(cè)控儀器（北京）有限公司提供了基于模型的衛(wèi)星數(shù)字孿生設(shè)計(jì)解決方案，可以最大程度地將驗(yàn)證后的設(shè)計(jì)模型自動(dòng)轉(zhuǎn)化為衛(wèi)星的物理實(shí)現(xiàn)，例如可以根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)模型自動(dòng)生成星載軟件的代碼。
⑤數(shù)字營(yíng)銷。
對(duì)于尚未上市的新產(chǎn)品，通過發(fā)布其概念階段的數(shù)字孿生模型，讓消費(fèi)者選擇更喜歡的設(shè)計(jì)方案，然后再進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)和制造，這樣有助于企業(yè)提升銷售業(yè)績(jī)。同時(shí)，通過構(gòu)建基于數(shù)字孿生模型的在線配置器，可以幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的在線選配，實(shí)現(xiàn)大批量定制。下圖是比特視界(北京)科技有限公司（BITONE）為寶沃汽車開發(fā)的在線配置器，動(dòng)感十足，可以查看各種配置的外觀和內(nèi)飾。
△BITONE開發(fā)的汽車在線配置器
07、數(shù)字孿生對(duì)制造企業(yè)的應(yīng)用價(jià)值
IDC在2018年5月發(fā)表的《數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)》報(bào)告中指出，到2020年底，65%的制造企業(yè)將利用數(shù)字孿生運(yùn)營(yíng)產(chǎn)品和/或資產(chǎn)，降低質(zhì)量缺陷成本和服務(wù)交付成本25%。
△數(shù)字孿生對(duì)制造企業(yè)的價(jià)值
IDC《數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)》報(bào)告
產(chǎn)品數(shù)字孿生應(yīng)用的價(jià)值是通過虛實(shí)融合、虛實(shí)映射，持續(xù)改進(jìn)產(chǎn)品的性能、為客戶提供更好的體驗(yàn)，提高產(chǎn)品運(yùn)行的安全性、可靠性、穩(wěn)定性，提升產(chǎn)品運(yùn)行的“健康度”，在此基礎(chǔ)上提升產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，通過對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝等各方面的改進(jìn)，降低產(chǎn)品成本，幫助企業(yè)提高盈利能力；而工廠數(shù)字孿生應(yīng)用的價(jià)值主要體現(xiàn)在構(gòu)建透明工廠，提升工廠的運(yùn)營(yíng)管理水平，提高整體OEE，降低能耗，促進(jìn)安全生產(chǎn)等方面。要真正實(shí)現(xiàn)工廠數(shù)字孿生應(yīng)用的價(jià)值，需要裝備用戶企業(yè)和裝備制造企業(yè)進(jìn)行深層次的合作。
GE公司對(duì)數(shù)字孿生的應(yīng)用價(jià)值給出了一段經(jīng)典描述：數(shù)字孿生通過海量的設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、維修、在線傳感器及運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)來建立和獲取信息，運(yùn)用一系列高保真的計(jì)算的和基于物理實(shí)體的模型，以及高級(jí)分析方法來預(yù)測(cè)資產(chǎn)設(shè)備在其全生命周期的健康和績(jī)效。數(shù)字孿生模型的準(zhǔn)確程度隨著時(shí)間推移，通過更多數(shù)據(jù)來對(duì)模型進(jìn)行精煉，以及類似設(shè)備部署其數(shù)字孿生應(yīng)用而提升。模型隨著數(shù)據(jù)的持續(xù)采集而不斷修正。數(shù)字孿生模型提供了設(shè)備的詳細(xì)知識(shí)，預(yù)測(cè)對(duì)各種可能場(chǎng)景的應(yīng)對(duì)情況，并作為實(shí)時(shí)參照來構(gòu)建各種應(yīng)用系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化各類服務(wù)，提高績(jī)效和效率，改善運(yùn)維、供應(yīng)鏈和業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)等業(yè)務(wù)價(jià)值。
數(shù)字孿生技術(shù)最早的倡導(dǎo)者之一，NASA國(guó)家先進(jìn)制造中心主任John Vickers認(rèn)為：“數(shù)字孿生模型的最終目標(biāo)是在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建、測(cè)試和生產(chǎn)所需設(shè)備。只有當(dāng)它滿足我們的需求時(shí)，才進(jìn)行實(shí)體生產(chǎn)。然后，又將實(shí)體生產(chǎn)過程通過傳感器傳遞給數(shù)字孿生模型，以確保數(shù)字孿生模型包含我們對(duì)實(shí)體產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)所能夠獲得的所有信息。”
另一篇GE發(fā)表于2015年的文章指出：數(shù)字孿生模型的優(yōu)勢(shì)是通過結(jié)合從設(shè)計(jì)到實(shí)時(shí)采集設(shè)備的數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，來對(duì)設(shè)備在全生命周期進(jìn)行優(yōu)化。不僅可以降低原型設(shè)計(jì)或制造的成本，而且可以通過將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)字孿生模型進(jìn)行分析，從而預(yù)測(cè)故障，降低維護(hù)成本，減少停機(jī)時(shí)間。
08、數(shù)字孿生主流廠商和解決方案
當(dāng)前，數(shù)字孿生領(lǐng)域在全球受到廣泛關(guān)注。西門子、達(dá)索系統(tǒng)、PTC、ANSYS、羅克韋爾自動(dòng)化、Aveva、ESI、GE、SAP、Unity、微軟、Altair、Maplesoft、Bentley、力控科技、華力創(chuàng)通、觸角科技、優(yōu)也科技、華龍訊達(dá)、美云智數(shù)、寄云科技、華天軟件、精航偉泰、比特視界和同元軟控等國(guó)內(nèi)外廠商提供了數(shù)字孿生的相關(guān)解決方案。
西門子的數(shù)字孿生解決方案覆蓋全面，從設(shè)計(jì)工具、虛擬仿真、制造運(yùn)營(yíng)管理到工業(yè)自動(dòng)化、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)等關(guān)鍵技術(shù)，均提供相應(yīng)的技術(shù)。為了建立更加完整的數(shù)字孿生應(yīng)用模型，西門子在CAD/PLM等工業(yè)軟件基礎(chǔ)上，不斷加大投資，先后并購(gòu)整合了質(zhì)量管理、生產(chǎn)計(jì)劃排程、制造執(zhí)行、仿真分析等各領(lǐng)域領(lǐng)先的技術(shù)。
西門子的數(shù)字孿生應(yīng)用分為產(chǎn)品數(shù)字孿生（Product Digital Twin）、生產(chǎn)數(shù)字孿生（Production Digital Twin）和性能數(shù)字孿生（Performance Digital Twin）形成了一個(gè)完整的解決方案體系，并把西門子現(xiàn)有的產(chǎn)品及系統(tǒng)包攬其中，例如Teamcenter、NX、Simcenter等。
產(chǎn)品數(shù)字孿生：在產(chǎn)品的概念和設(shè)計(jì)階段創(chuàng)建數(shù)字孿生后，使得工程師可以根據(jù)相應(yīng)的要求仿真和驗(yàn)證產(chǎn)品屬性：例如評(píng)估產(chǎn)品是否穩(wěn)定，是否直觀易用？汽車車身是否提供盡可能低的空氣阻力？電子設(shè)備是否可靠？無論是涉及機(jī)械、電子、軟件還是系統(tǒng)性能，數(shù)字孿生都可以用于提前測(cè)試和優(yōu)化。
生產(chǎn)數(shù)字孿生：它涉及從工廠的機(jī)器、設(shè)備、傳感器等整個(gè)生產(chǎn)環(huán)境的各個(gè)方面。通過在虛擬環(huán)境中仿真和調(diào)試，在實(shí)際操作開始之前，就可以識(shí)別錯(cuò)誤和防止故障。
性能數(shù)字孿生：不斷地從產(chǎn)品或生產(chǎn)線獲得運(yùn)行數(shù)據(jù)。這樣可以持續(xù)監(jiān)控來自機(jī)器的狀態(tài)數(shù)據(jù)和制造系統(tǒng)的能耗數(shù)據(jù)等信息。這使得可以執(zhí)行預(yù)測(cè)性維護(hù)維修，以防止停機(jī)并優(yōu)化能耗。
ANSYS Twin Builder是一款針對(duì)數(shù)字孿生的產(chǎn)品軟件包，能幫助工程師快速構(gòu)建、驗(yàn)證和部署物理產(chǎn)品的數(shù)字化表示形式。這款開放式解決方案可以集成任何IIoT平臺(tái)，并且包含運(yùn)行時(shí)部署功能，從而能夠在運(yùn)行過程中持續(xù)監(jiān)控所用的每臺(tái)資產(chǎn)設(shè)備。在ANSYS Twin Builder的支持下，工業(yè)資產(chǎn)的連接功能與整體系統(tǒng)仿真充分結(jié)合，能幫助客戶開展診斷和故障排除工作，確定理想的維護(hù)程序，優(yōu)化每個(gè)資產(chǎn)設(shè)備的性能，并獲得極富洞察力的數(shù)據(jù)，從而改進(jìn)新一代產(chǎn)品。
最近，Ansys與微軟、戴爾、Lendlease等聯(lián)合推廣數(shù)字孿生技術(shù)，共同組建了數(shù)字孿生聯(lián)盟（Digital Twin Consortium,www.digitaltwinconsortium.org）。ANSYS與眾多伙伴的合作，表明仿真技術(shù)不再僅僅只是作為工程師設(shè)計(jì)更出色產(chǎn)品和降低物理測(cè)試成本的利器，通過打造數(shù)字孿生，仿真技術(shù)的應(yīng)用擴(kuò)展到各個(gè)運(yùn)營(yíng)領(lǐng)域，涵蓋產(chǎn)品的健康管理、遠(yuǎn)程診斷、智能維護(hù)和共享服務(wù)等應(yīng)用。
PTC對(duì)于數(shù)字孿生（數(shù)字映射）的認(rèn)知更強(qiáng)調(diào)數(shù)字世界與現(xiàn)實(shí)世界的聯(lián)系。PTC的數(shù)字孿生涵蓋產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、使用，再將使用數(shù)據(jù)回傳進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，使得現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間的數(shù)據(jù)傳遞形成完整回路，加強(qiáng)現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界的連接。
隨著工業(yè)企業(yè)生成越來越多的有關(guān)物理世界的數(shù)據(jù)，PTC將這些數(shù)據(jù)映射回定義其產(chǎn)品、流程和人員的IT系統(tǒng)，以增強(qiáng)數(shù)字主線。同時(shí)PTC的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)ThingWorx和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平臺(tái)Vuforia等創(chuàng)造的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步發(fā)掘數(shù)字孿生應(yīng)用的價(jià)值。
PTC還與羅克韋爾、Ansys等建立了合作關(guān)系。PTC的ThingWorx、Vuforia與羅克韋爾自動(dòng)化的MES、FactoryTalk Analytics以及Industrial Automation平臺(tái)，可以簡(jiǎn)化企業(yè)的連接方式，實(shí)現(xiàn)更好的互聯(lián)互操作性。而在ThingWorx上快速添加ANSYS工程仿真技術(shù)，通過兩大技術(shù)平臺(tái)之間建立聯(lián)系，則有助于將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刹扇⌒袆?dòng)的新型智能信息。
達(dá)索系統(tǒng)的數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)主要依托3DEXPERIENCE平臺(tái)，將企業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)、驗(yàn)證、生產(chǎn)、銷售、運(yùn)營(yíng)全流程與企業(yè)項(xiàng)目管理流程整合，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合與交互。3DEXPERIENCE平臺(tái)將相關(guān)技術(shù)和功能集成到一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)字化創(chuàng)新環(huán)境中，創(chuàng)建數(shù)字孿生，從整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)獲取洞察力和專業(yè)知識(shí)，從而測(cè)量、評(píng)估和預(yù)測(cè)工業(yè)資產(chǎn)的表現(xiàn)，并以智能方式幫助企業(yè)優(yōu)化自身運(yùn)營(yíng)。
達(dá)索系統(tǒng)與ABB建立了全球合作伙伴關(guān)系，為數(shù)字化工業(yè)客戶提供獨(dú)特的、從產(chǎn)品生命周期管理到資產(chǎn)健康的軟件解決方案組合。兩家公司融合ABB Ability數(shù)字化解決方案和達(dá)索系統(tǒng)3DEXPERIENCE平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，共同為客戶提供先進(jìn)的數(shù)字孿生解決方案，幫助客戶以更高的整體效率、靈活性和可持續(xù)性運(yùn)行。
Altair作為全球仿真技術(shù)領(lǐng)先廠商之一，近年來進(jìn)行一系列相關(guān)并購(gòu)，制定了相應(yīng)的數(shù)字孿生戰(zhàn)略。Altair數(shù)字孿生集成平臺(tái)融合了物理和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的映射，以支持整個(gè)產(chǎn)品生命周期的優(yōu)化?；贏ltair Activate，結(jié)合硬件在環(huán)和物聯(lián)網(wǎng)功能，進(jìn)行多學(xué)科系統(tǒng)建模，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生技術(shù)。除此之外，Altair與ACROME合作，基于3D+lD系統(tǒng)協(xié)同仿真引擎，推出了面向數(shù)字孿生概念的機(jī)電一體化仿真與實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)相結(jié)合的專用教學(xué)套件。
SAP在2016年發(fā)布了資產(chǎn)智能網(wǎng)絡(luò)AIN（Asset Intelligent Network），并在2018年漢諾威工博會(huì)上發(fā)布數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)（Networks of Digital Twins），將制造商和運(yùn)營(yíng)商在產(chǎn)品的不同階段的數(shù)字化映像數(shù)據(jù)真正打通。SAP的數(shù)字孿生系統(tǒng)通過在數(shù)字世界中打造一個(gè)完整的數(shù)字化映射，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的工程和研發(fā)。在產(chǎn)品的使用階段，SAP數(shù)字孿生系統(tǒng)采集設(shè)備的運(yùn)行狀況，進(jìn)行分析，得出產(chǎn)品的實(shí)際性能，再與需求設(shè)計(jì)的目標(biāo)比較，形成產(chǎn)品研發(fā)的閉環(huán)體系。這樣的一個(gè)閉環(huán)體系，對(duì)于產(chǎn)品的數(shù)字化研發(fā)和產(chǎn)品創(chuàng)新有著非常重要的意義。
ESI集團(tuán)提出了混合孿生概念，可以對(duì)服務(wù)中的產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)值模擬，并得出可靠的預(yù)測(cè)性維護(hù)方案。Hybrid Twin混合孿生模型的使用豐富了真實(shí)數(shù)據(jù)的虛擬樣機(jī)并利用AI和機(jī)器學(xué)習(xí)使更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)變得可行和實(shí)用。Hybrid Twin監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)變化，可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)各個(gè)產(chǎn)品特定行為的幾率。通過構(gòu)建Hybrid Twin混合孿生模型，ESI集團(tuán)幫助風(fēng)電場(chǎng)的維護(hù)和監(jiān)控成本平均降低了30％。
Unity基于自身實(shí)時(shí)3D技術(shù)和人機(jī)交互引擎，圍繞數(shù)字孿生技術(shù)體系提供實(shí)時(shí)3D開發(fā)工具；同時(shí)面向特定應(yīng)用場(chǎng)景，與合作伙伴共同推出完整解決方案。在Unity平臺(tái)上，開發(fā)者可以完成從輔助產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造到最終產(chǎn)品上市的全生命周期，實(shí)現(xiàn)全流程的數(shù)字化。
微軟Azure將數(shù)字孿生作為一項(xiàng)IoT服務(wù)，是一套構(gòu)建可感知環(huán)境的IoT解決方案，幫助創(chuàng)建綜合性的物理環(huán)境模型。它可創(chuàng)建空間智能圖，對(duì)人員、空間和設(shè)備之間的關(guān)系和交互建模。從物理空間而非不同的傳感器中查詢數(shù)據(jù)。此外，它還能構(gòu)建可重用、高度可縮放且可感知空間的體驗(yàn)，跨物理世界和數(shù)字世界將流式處理數(shù)據(jù)鏈接到一起。
Bentley面向數(shù)字孿生領(lǐng)域推出的iTwin Services，即數(shù)字孿生模型云服務(wù)，可提供多范疇的對(duì)應(yīng)服務(wù)，其中包括概念創(chuàng)新、施工、檢修、災(zāi)后重建、運(yùn)營(yíng)創(chuàng)新等服務(wù)。它可幫助持續(xù)審查項(xiàng)目狀態(tài)，且可向前或向后查詢變更分類時(shí)間線上的任何請(qǐng)求的項(xiàng)目狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)任何項(xiàng)目時(shí)間線狀態(tài)之間變化的可視化和分析可見性。
值得注意的是，Bentley所提的數(shù)字孿生解決方案與BIM解決方案有明顯的區(qū)別：數(shù)字孿生服務(wù)于不同項(xiàng)目階段的任務(wù)，會(huì)遇到來自不同廠商、不同軟件所創(chuàng)造的數(shù)據(jù)。打開和識(shí)別一個(gè)BIM模型，往往需要原始的三維軟件。而數(shù)字孿生技術(shù)給用戶帶來的效益是，能直接查詢不同軟件創(chuàng)建的BIM模型，直接對(duì)所有不同數(shù)據(jù)源的信息進(jìn)行了解。
Maplesoft提供用于虛擬調(diào)試的數(shù)字孿生解決方案。通過數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)基于仿真的電機(jī)選型、PLC代碼測(cè)試、離線和在線仿真等，消除設(shè)備設(shè)計(jì)中的猜測(cè)。
力控科技數(shù)字孿生解決方案是通過集成三維可視化技術(shù)、快速建模技術(shù)、工廠設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)、攝像監(jiān)控技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字孿生工廠的整體管理。三維數(shù)字孿生工廠平臺(tái)將車間三維高精度模型、工藝流程、設(shè)備屬性、設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以及工廠運(yùn)營(yíng)管理數(shù)據(jù)等進(jìn)行融合，直觀地展示生產(chǎn)車間的工藝流程，實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)的遠(yuǎn)程控制管理，提高車間的運(yùn)營(yíng)管理效率。同時(shí)為客戶提供完整的、高附加值的產(chǎn)品解決方案，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的智能化與精細(xì)化管理。
華力創(chuàng)通提供產(chǎn)品的數(shù)字孿生解決方案，服務(wù)MBSE驅(qū)動(dòng)的多維度數(shù)字樣機(jī)、復(fù)雜虛擬裝配、復(fù)雜人機(jī)工效、多用途虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理和輕量化技術(shù)、高性能計(jì)算云計(jì)算、工程模擬器、視景仿真可視化等業(yè)務(wù)。華力創(chuàng)通面向工廠的數(shù)字孿生解決方案，則結(jié)合MES、SCADA等軟件，在通用虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)軟硬件支持下，華力創(chuàng)通提供物理信息驅(qū)動(dòng)下的實(shí)景三維工廠的虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互體驗(yàn)系統(tǒng)，通過全三維數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的疊加，實(shí)現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的工廠數(shù)字孿生項(xiàng)目的落地。
美云智數(shù)提供了虛擬調(diào)試解決方案和數(shù)字孿生工廠解決方案，在美的集團(tuán)等企業(yè)應(yīng)用，取得顯著效果。數(shù)字孿生工廠應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了設(shè)備聯(lián)機(jī)、虛實(shí)結(jié)合、真實(shí)互動(dòng)、設(shè)備故障預(yù)警和維修提醒。工廠審核效率提升65%，設(shè)備故障率下降超過9%，問題響應(yīng)速度提升30%。
寄云科技為大型制造企業(yè)構(gòu)建了從單一裝備到復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)字孿生，通過對(duì)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)、檢測(cè)和維護(hù)數(shù)據(jù)的智能分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)性維護(hù)、生產(chǎn)效率分析、質(zhì)量溯源和預(yù)測(cè)等多種智能應(yīng)用。
優(yōu)也科技的Thingswise工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通過數(shù)字孿生技術(shù)可以面向生產(chǎn)全流程全周期來開發(fā)智能應(yīng)用。
觸角科技的數(shù)字孿生側(cè)重應(yīng)用新一代MR/VR頭戴顯示設(shè)備，實(shí)時(shí)展示數(shù)字孿生三維場(chǎng)景與IoT動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并通過自然互動(dòng)方式完成對(duì)場(chǎng)景中虛擬設(shè)備的多視角仿真操控；結(jié)合真實(shí)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境與設(shè)備，完成虛實(shí)融合的互動(dòng)操作流程引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了新一代交互式電子指導(dǎo)手冊(cè)；全程錄制面向數(shù)字孿生三維場(chǎng)景的仿真操作流程，并作為資源共享給其他工作人員在同一三維場(chǎng)景中進(jìn)行可視化回放，用于特定任務(wù)的仿真驗(yàn)證與培訓(xùn)。
華龍迅達(dá)基于騰訊云推出木星數(shù)字孿生平臺(tái)，基于物理模型、傳感器、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程數(shù)字將工廠物理空間的控制、運(yùn)行、質(zhì)量、物耗、能耗等數(shù)據(jù)在虛擬空間中建立實(shí)時(shí)鏡像進(jìn)行虛擬制造仿真，并將仿真結(jié)果作用于物理空間現(xiàn)場(chǎng)，助力企業(yè)提升資源優(yōu)化配置能力、生產(chǎn)過程控制能力、均質(zhì)生產(chǎn)保障能力、柔性制造能力和敏捷生產(chǎn)能力。
同元軟控面向航天領(lǐng)域，提供了數(shù)字伴飛和數(shù)字空間站等數(shù)字孿生應(yīng)用方案。
精航偉泰則推出了基于模型的商業(yè)衛(wèi)星設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺(tái)。
09、數(shù)字孿生的推進(jìn)策略
數(shù)字孿生是制造業(yè)推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能制造的戰(zhàn)略舉措和現(xiàn)實(shí)途徑之一。對(duì)于制造企業(yè)而言，推進(jìn)數(shù)字孿生應(yīng)用需要建立明確的目標(biāo)，以價(jià)值為導(dǎo)向，建立跨部門的推進(jìn)組織，結(jié)合IT、自動(dòng)化、研發(fā)、仿真、工藝、測(cè)試、設(shè)備運(yùn)維等部門的團(tuán)隊(duì)，并引入專業(yè)咨詢機(jī)構(gòu)，務(wù)實(shí)推進(jìn)。
數(shù)字孿生應(yīng)用是IT/OT融合的典型應(yīng)用，要實(shí)現(xiàn)虛實(shí)映射，需要搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，明確應(yīng)用對(duì)象的重點(diǎn)是企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品，還是工廠，亦或是供應(yīng)鏈；面向產(chǎn)品的數(shù)字孿生應(yīng)用重點(diǎn)是支持產(chǎn)品研發(fā)、市場(chǎng)推廣還是運(yùn)營(yíng)維護(hù)；面向工廠的數(shù)字孿生應(yīng)用重點(diǎn)是工廠或產(chǎn)線建設(shè)期間的虛擬調(diào)試，還是工廠運(yùn)營(yíng)階段的可視化與優(yōu)化。同時(shí)，企業(yè)需要建立全三維設(shè)計(jì)、仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)和組織體系。推進(jìn)數(shù)字孿生需要制定整體規(guī)劃，但結(jié)合具體目標(biāo)，分步實(shí)施，不能搞“大而全”的應(yīng)用。推進(jìn)數(shù)字孿生應(yīng)用必須合理把控風(fēng)險(xiǎn)。
埃森哲《數(shù)字孿生：打造生力產(chǎn)品，重塑客戶體驗(yàn)》白皮書提出了推進(jìn)數(shù)字孿生應(yīng)用的四個(gè)階段。
△埃森哲：推進(jìn)數(shù)字孿生應(yīng)用的四個(gè)階段
在數(shù)字孿生的實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，不可能，也沒有必要盲目追求所有數(shù)字孿生模型的“高保真”。因?yàn)楸Ｕ娑鹊奶嵘馕吨鴺?gòu)建數(shù)字孿生模型的難度和成本的大幅度提升，同時(shí)，對(duì)數(shù)字孿生模型進(jìn)行分析的復(fù)雜性和耗時(shí)也會(huì)迅速攀升。數(shù)字孿生模型越復(fù)雜，也就越難以實(shí)現(xiàn)虛實(shí)映射的實(shí)時(shí)性。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，對(duì)所有零部件的多物理場(chǎng)都進(jìn)行復(fù)雜的三維仿真耗時(shí)很長(zhǎng)，往往會(huì)進(jìn)行降階處理，通過一維仿真對(duì)產(chǎn)品的整體性能進(jìn)行分析。因此，企業(yè)需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求和性能價(jià)格比來選擇構(gòu)建不同保真度的數(shù)字孿生模型。
10、數(shù)字孿生在制造業(yè)的應(yīng)用前景展望
近期，關(guān)于數(shù)字孿生的討論和爭(zhēng)論很多，這有利于制造企業(yè)正確理解和推進(jìn)數(shù)字孿生的應(yīng)用。e-works認(rèn)為，數(shù)字孿生是一個(gè)既具有前瞻性，又易于被各界理解的創(chuàng)新理念，數(shù)字孿生這個(gè)術(shù)語本身的“生命周期”會(huì)很長(zhǎng)，而不是短期流行的時(shí)髦詞匯(Buzzword)。數(shù)字孿生理念經(jīng)過概念炒作階段之后，會(huì)逐漸走向務(wù)實(shí)推進(jìn)的階段。
目前，圍繞數(shù)字孿生技術(shù)的討論更多地還集中在概念探討階段，我國(guó)制造企業(yè)真正開展的實(shí)際應(yīng)用還處于初期階段。正如前一階段各方面熱議，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)缺乏“殺手級(jí)”應(yīng)用一樣，企業(yè)也應(yīng)該在產(chǎn)品數(shù)字孿生和工廠數(shù)字孿生領(lǐng)域找到自己的“殺手級(jí)”應(yīng)用。
即使沒有數(shù)字孿生，很多裝備制造企業(yè)也已經(jīng)開始通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）平臺(tái)，對(duì)正在服役的裝備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并利用工業(yè)大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)。那么，通過數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合，可以進(jìn)一步通過對(duì)這些裝備運(yùn)行過程的實(shí)時(shí)仿真和優(yōu)化，提升設(shè)備運(yùn)行績(jī)效，避免異常事故。同樣，即使沒有數(shù)字孿生，很多制造企業(yè)也在建設(shè)生產(chǎn)監(jiān)控與指揮系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工廠的可視化、透明化。那么，通過數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)映射，可以更加精準(zhǔn)地把控工廠、車間、產(chǎn)線和設(shè)備的生產(chǎn)、能耗、質(zhì)量、物流供應(yīng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，從而提升工廠的運(yùn)行績(jī)效，避免設(shè)備非計(jì)劃性停機(jī)。因此，數(shù)字孿生應(yīng)用給制造企業(yè)帶來的價(jià)值是實(shí)實(shí)在在的。
e-works建議，制造企業(yè)應(yīng)當(dāng)組織針對(duì)數(shù)字孿生的培訓(xùn)，深入研究數(shù)字孿生的理念，數(shù)字孿生相關(guān)產(chǎn)品和解決方案，結(jié)合自身的產(chǎn)業(yè)特點(diǎn)和實(shí)際需求，找到數(shù)字孿生應(yīng)用的突破口。在此基礎(chǔ)上，制定數(shù)字孿生應(yīng)用規(guī)劃。
數(shù)字孿生應(yīng)用，長(zhǎng)路漫漫，但路就在腳下！從數(shù)字孿生應(yīng)用中獲益的機(jī)會(huì)，屬于有準(zhǔn)備的企業(yè)！
注：本文的第八部分主要由e-works首席記者王陽撰寫。在本文撰寫過程中，得到了李培根院士的指導(dǎo)，并多次向陶飛教授討教，也與趙敏、彭慧等專家進(jìn)行了探討交流，在此深表感謝！
