數(shù)字孿生日趨成為產(chǎn)業(yè)各界研究熱點(diǎn)，未來發(fā)展前景廣闊。
隨著新一代信息技術(shù)與實(shí)體經(jīng)濟(jì)的加速融合，工業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化演進(jìn)趨勢日益明顯，催生了一批制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型新模式、新業(yè)態(tài)，其中數(shù)字孿生日趨成為產(chǎn)業(yè)各界研究熱點(diǎn)，未來發(fā)展前景廣闊。IDC預(yù)測，到2020年全球頭部600家企業(yè)都會(huì)使用數(shù)字孿生來提供產(chǎn)品創(chuàng)新。
MarketsandMarkets預(yù)測，到2023年數(shù)字孿生市場規(guī)模將達(dá)到157億美元，并以38%復(fù)合年增長率增長。
01、數(shù)字孿生是一種新型制造模式
數(shù)字孿生是以數(shù)據(jù)和模型為驅(qū)動(dòng)、數(shù)字孿生體和數(shù)字線程為支撐的新型制造模式，能夠通過實(shí)時(shí)連接、映射、分析、反饋物理世界的資產(chǎn)與行為，使工業(yè)全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈達(dá)到最大限度閉環(huán)優(yōu)化。
一方面，數(shù)字孿生體是在虛擬空間構(gòu)建的表征物理實(shí)體實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)的虛擬實(shí)體，具備融合幾何建模、仿真模擬、數(shù)據(jù)分析的全方位功能，扮演著綜合分析決策的角色。
另一方面，數(shù)字孿生在集成融合工業(yè)數(shù)據(jù)的過程中依賴于數(shù)字線程。數(shù)字線程是連接物理世界和數(shù)字孿生體的通道，也是多類數(shù)字孿生體間連接的通道，具備“在正確的時(shí)間，將正確的信息，以正確的方式，推送到正確的地方”的功能，數(shù)據(jù)集成和業(yè)務(wù)集成是其兩大核心功能?？傊?，數(shù)字孿生能夠基于“單個(gè)數(shù)字孿生體”或基于“數(shù)字線程串聯(lián)的多個(gè)孿生體集”，實(shí)現(xiàn)從“簡單組件”到“復(fù)雜物理系統(tǒng)”的連接、映射、分析、反饋。
02、數(shù)字孿生呈現(xiàn)四大發(fā)展趨勢
趨勢一：六大核心技術(shù)支撐數(shù)字孿生構(gòu)建虛實(shí)交互的閉環(huán)優(yōu)化
數(shù)字孿生技術(shù)體系涵蓋感知控制、數(shù)據(jù)集成、模型構(gòu)建、模型互操作、業(yè)務(wù)集成、人機(jī)交互六大核心技術(shù)。
感知控制技術(shù)具備數(shù)據(jù)采集和反饋控制兩大功能，是連接物理世界的入口和反饋物理世界的出口。數(shù)據(jù)集成實(shí)現(xiàn)異構(gòu)設(shè)備和系統(tǒng)的互聯(lián)互通，讓物理世界和承載數(shù)字孿生的虛擬空間無縫銜接。模型構(gòu)建實(shí)現(xiàn)對物理實(shí)體形狀和規(guī)律的映射，幾何模型、機(jī)理模型、數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建分別實(shí)現(xiàn)對物理實(shí)體形狀、已知(或經(jīng)驗(yàn))的物理規(guī)律以及未知的物理規(guī)律的模擬。模型互操作承擔(dān)著將幾何、機(jī)理、數(shù)據(jù)三大模型融合的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)從構(gòu)建“靜態(tài)映射的物理實(shí)體”到構(gòu)建“動(dòng)態(tài)協(xié)同的物理實(shí)體”的轉(zhuǎn)變。業(yè)務(wù)集成是數(shù)字孿生價(jià)值創(chuàng)新的紐帶，能夠打通產(chǎn)品全生命周期、生產(chǎn)全過程、商業(yè)全流程的價(jià)值鏈條。人機(jī)交互將人的因素融入數(shù)字孿生系統(tǒng)，工作者可以通過友好的人機(jī)操作方式將控制指令反饋給物理世界，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生全閉環(huán)優(yōu)化。
趨勢二：模型構(gòu)建技術(shù)朝著提升建模效率和精度的方向發(fā)展
幾何、仿真、數(shù)據(jù)三類模型構(gòu)建技術(shù)多措并舉，不斷提升建模效率和精度。
衍生設(shè)計(jì)和三維掃描建模技術(shù)推動(dòng)幾何建模效率不斷提升。衍生設(shè)計(jì)基于算法指令實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何模型自動(dòng)化設(shè)計(jì)外觀；以工業(yè)CT為代表的三維掃描建模技術(shù)能夠捕獲測試件內(nèi)部和外部完整、精確的圖像，直接生成完整的三維立體圖像。
深度學(xué)習(xí)和知識圖譜沿著兩條路徑分別提升模型描述的性能及拓展范圍。如利用深度學(xué)習(xí)進(jìn)行汽車風(fēng)洞測試，傳統(tǒng)方程法需一天，現(xiàn)在只需四分之一秒。例如華為通過構(gòu)建知識圖譜，將采購、物流、制造知識聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)供應(yīng)鏈風(fēng)險(xiǎn)管理與零部件選型。
無網(wǎng)格仿真技術(shù)有望突破傳統(tǒng)仿真局限，提升仿真模擬效率。例如AltairSimSolid能夠在幾分鐘內(nèi)分析全功能CAD程序集而無須網(wǎng)格劃分，大大優(yōu)化了仿真求解速度。
趨勢三：模型互操作技術(shù)加快統(tǒng)一模型間的語義和語法
典型的模型互操作涵蓋機(jī)理和數(shù)據(jù)模型、機(jī)理模型間、數(shù)據(jù)模型間互操作三大類。
多學(xué)科聯(lián)合仿真技術(shù)基于FMI、FMU規(guī)范統(tǒng)一了仿真模型接口標(biāo)準(zhǔn)，逐漸成為仿真模型間互操作主流選擇。例如Mod-elica已經(jīng)成為汽車行業(yè)多學(xué)科聯(lián)合仿真標(biāo)準(zhǔn)語言。
聯(lián)邦機(jī)器學(xué)習(xí)在滿足數(shù)據(jù)隱私要求的前提下，實(shí)現(xiàn)不同人工智能系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型間集成，有望成為數(shù)據(jù)模型間互操作的通用方法。例如谷歌和百度紛紛在人工智能框架下加入聯(lián)邦學(xué)習(xí)功能，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)模型間互操作。
數(shù)據(jù)模型和機(jī)理模型互操作最為復(fù)雜，尚未形成統(tǒng)一方法論，但也得到了一定實(shí)踐。例如Math-Works將旗下MATLAB的數(shù)據(jù)分析和Simulink的仿真模擬兩大功能結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對綜合業(yè)務(wù)模型的有效調(diào)參。此外，管理殼技術(shù)具備模型管理和標(biāo)識解析功能，實(shí)現(xiàn)接口統(tǒng)一和語義統(tǒng)一，有望為全類模型互操作指明方向。
趨勢四：數(shù)據(jù)集成和業(yè)務(wù)集成范圍不斷拓展且功能持續(xù)融合
數(shù)據(jù)集成和業(yè)務(wù)集成沿著兩條路徑持續(xù)推動(dòng)集成范圍擴(kuò)展。
一方面，數(shù)據(jù)集成技術(shù)主要面向底層數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，數(shù)據(jù)集成類型和數(shù)據(jù)集成范圍在不斷提升。例如數(shù)據(jù)湖技術(shù)能夠集成結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的全類數(shù)據(jù)。OPC-UA能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備與設(shè)備間、設(shè)備與系統(tǒng)間、系統(tǒng)與系統(tǒng)間的全場景連接。
另一方面，業(yè)務(wù)集成技術(shù)偏向于頂層工業(yè)業(yè)務(wù)的協(xié)同，新型軟件開發(fā)技術(shù)不斷推動(dòng)業(yè)務(wù)集成技術(shù)發(fā)展。以西門子Mendix為代表的低代碼開發(fā)平臺正不斷整合不同類型工業(yè)軟件集成；以阿里為代表構(gòu)建的業(yè)務(wù)中臺企業(yè)也在推動(dòng)按需分配的業(yè)務(wù)流程配置技術(shù)發(fā)展。此外，信息模型正加快推動(dòng)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)融合，并朝著滿足信息量增加的需求方向發(fā)展。例如SOLID-WORKSMBD技術(shù)在傳統(tǒng)BOM上疊加了3D形狀、公差、注釋等信息，使各業(yè)務(wù)部門更直觀了解產(chǎn)品實(shí)時(shí)狀態(tài)。
03、數(shù)字孿生應(yīng)用蓬勃發(fā)展
——數(shù)字孿生應(yīng)用已滲透到資產(chǎn)、車間、企業(yè)各個(gè)層級
數(shù)字孿生應(yīng)用場景廣泛，當(dāng)前覆蓋“NIST智能制造系統(tǒng)”中的產(chǎn)品、生產(chǎn)和商業(yè)三大領(lǐng)域，并朝著實(shí)現(xiàn)三大領(lǐng)域價(jià)值鏈條全面優(yōu)化的方向發(fā)展。
面向產(chǎn)品的數(shù)字孿生應(yīng)用聚焦產(chǎn)品全生命周期優(yōu)化。如AFRL與NASA合作構(gòu)建F-15數(shù)字孿生體，基于戰(zhàn)斗機(jī)試飛、生產(chǎn)、檢修全生命周期數(shù)據(jù)修正仿真過程機(jī)理模型，提高了機(jī)體維護(hù)預(yù)警準(zhǔn)確度。
面向車間的數(shù)字孿生應(yīng)用聚焦生產(chǎn)全過程管控。如空客通過在關(guān)鍵工裝、物料和零部件上安裝RFID，生成了A350XWB總裝線的數(shù)字孿生體，使工業(yè)流程更加透明化，并能夠預(yù)測車間瓶頸、優(yōu)化運(yùn)行績效。
面向企業(yè)的數(shù)字孿生應(yīng)用聚焦業(yè)務(wù)綜合評估與管理。如Software AG基于ARIS業(yè)務(wù)流程建模功能構(gòu)建了面向企業(yè)業(yè)務(wù)的數(shù)字孿生體，并通過模擬評估業(yè)務(wù)流程預(yù)見企業(yè)未來成本和績效。
——數(shù)字孿生應(yīng)用由虛擬驗(yàn)證向虛實(shí)交互的閉環(huán)優(yōu)化發(fā)展
數(shù)字孿生應(yīng)用發(fā)展歷程依次經(jīng)歷虛擬驗(yàn)證、單向連接、智能決策、虛實(shí)交互四大階段。
虛擬驗(yàn)證能夠在虛擬空間對產(chǎn)品/產(chǎn)線/物流等進(jìn)行仿真模擬，以提升真實(shí)場景的運(yùn)行效益。如ABB推出PickMas-terTwin，客戶能夠在虛擬產(chǎn)線上對機(jī)器人配置進(jìn)行測試，使拾取操作在虛擬空間進(jìn)行驗(yàn)證優(yōu)化。
單向連接在虛擬驗(yàn)證的基礎(chǔ)上疊加了IoT，實(shí)現(xiàn)基于真實(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)仿真模擬，大大提升了仿真精度。如PTC和ANSYS合作，構(gòu)建了泵的仿真模型，并將其與真實(shí)的泵連接，基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)仿真，優(yōu)化模擬。
智能決策在單向連接的基礎(chǔ)上疊加了AI，將仿真模型和數(shù)據(jù)模型很好地融合，提升分析決策水平。如杭汽輪通過三維掃描構(gòu)建幾何形狀，與平臺標(biāo)準(zhǔn)機(jī)理模型對比，并疊加人工智能分析，實(shí)現(xiàn)葉片的檢測試驗(yàn)時(shí)間從2~3天降低至3~5分鐘。
虛實(shí)交互在智能決策的基礎(chǔ)上疊加了反饋控制功能，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)自執(zhí)行的全閉環(huán)優(yōu)化。如在西門子提供的產(chǎn)品體系中，設(shè)計(jì)仿真軟件NX具備虛擬驗(yàn)證功能，MindSphere具備IoT連接功能，Omneo具備數(shù)據(jù)分析功能，TIA具備自動(dòng)化執(zhí)行功能。未來，西門子有望基于以上產(chǎn)品整合，真正實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的虛實(shí)交互閉環(huán)優(yōu)化。
04、我國需積極推動(dòng)數(shù)字孿生發(fā)展
一是加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，制定數(shù)字孿生參考架構(gòu)。匯聚政產(chǎn)學(xué)研等各方力量加快制定數(shù)字孿生總體架構(gòu)，搶占數(shù)字孿生國際標(biāo)準(zhǔn)制定權(quán)。同時(shí)，兼顧數(shù)字孿生參考架構(gòu)與我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等原有架構(gòu)的有效銜接，以及與美國IIC、日本IVI等參考架構(gòu)的融通發(fā)展。
二是夯實(shí)基礎(chǔ)研究，加快突破數(shù)字孿生技術(shù)短板。一方面，加強(qiáng)政府政策引領(lǐng)，出臺數(shù)字孿生建設(shè)指南，設(shè)立相關(guān)科技專項(xiàng)，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)界開展數(shù)字孿生技術(shù)基礎(chǔ)研究。另一方面，鼓勵(lì)高校設(shè)立數(shù)字孿生相關(guān)學(xué)科，調(diào)動(dòng)廣大高校師生的積極性和創(chuàng)新性，并投入數(shù)字孿生基礎(chǔ)技術(shù)研究中。
三是推進(jìn)應(yīng)用普及，宣傳數(shù)字孿生應(yīng)用成果。組織開展數(shù)字孿生優(yōu)秀應(yīng)用案例遴選工作，樹立各行業(yè)數(shù)字孿生應(yīng)用標(biāo)桿企業(yè)。編制優(yōu)秀應(yīng)用案例手冊，并借助產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等各類宣傳渠道公示推廣。加強(qiáng)數(shù)字孿生實(shí)景展示，鼓勵(lì)全國各地工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新展示中心融入數(shù)字孿生解決方案。
四是培育產(chǎn)業(yè)生態(tài)，共筑數(shù)字孿生解決方案。遴選數(shù)字孿生優(yōu)秀技術(shù)供應(yīng)商，構(gòu)建數(shù)字孿生解決方案資源池。培育數(shù)字孿生創(chuàng)新生態(tài)，鼓勵(lì)數(shù)字孿生產(chǎn)業(yè)鏈上下游企業(yè)積極開展合作，共同打造數(shù)字孿生解決方案。
