數(shù)字化雙胞胎的概念與其背后的技術(shù)簡述
根據(jù)西門子對數(shù)字化雙胞胎技術(shù)的定義，數(shù)字化雙胞胎是實(shí)際產(chǎn)品或流程的虛擬表示，用于理解和預(yù)測對應(yīng)物的性能特點(diǎn)。在投資實(shí)體原型和資產(chǎn)之前，可使用數(shù)字化雙胞胎在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中仿真、預(yù)測和優(yōu)化產(chǎn)品與生產(chǎn)系統(tǒng)。通過結(jié)合多物理場仿真、數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)功能，數(shù)字化雙胞胎不再需要搭建實(shí)體原型，即可展示設(shè)計(jì)變更、使用場景、環(huán)境條件和其他無限變量所帶來的影響，同時(shí)縮短開發(fā)時(shí)間，并提高成品或流程的質(zhì)量。
手動給上面這段可能“不明覺厲”的定義畫兩個(gè)和本問題相關(guān)的小重點(diǎn)：
整個(gè)產(chǎn)品生命周期
這里產(chǎn)品的生命周期特指設(shè)計(jì)階段，生產(chǎn)裝配階段和使用維護(hù)階段三個(gè)部分。這三個(gè)階段分別面對設(shè)計(jì)人員、制造人員與用戶等不同的對象，涉及和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)類型也各有不同，同時(shí)這些數(shù)據(jù)信息又存在著以產(chǎn)品為核心的緊密關(guān)系。西門子將數(shù)字化雙胞胎在這三個(gè)階段的應(yīng)用分別稱為：產(chǎn)品的數(shù)字化雙胞胎、生產(chǎn)的數(shù)字化雙胞胎和性能的數(shù)字化雙胞胎，這三種數(shù)字化雙胞胎涵蓋了產(chǎn)品和生產(chǎn)生命周期的所有階段產(chǎn)生的信息與數(shù)據(jù)。
結(jié)合多物理場仿真、數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)
數(shù)字化雙胞胎并不局限于單純的數(shù)值仿真或者機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。相對于傳統(tǒng)的數(shù)值仿真方法，數(shù)字化雙胞胎可以應(yīng)用物理實(shí)體反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行自我學(xué)習(xí)和完善；另一方面，相對于機(jī)器學(xué)習(xí)，數(shù)字化雙胞胎可以通過對物理過程的仿真和領(lǐng)域知識提供更加準(zhǔn)確的理解與預(yù)測。
作為一個(gè)正在不斷發(fā)展的進(jìn)化的概念，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化雙胞胎需要數(shù)值仿真、機(jī)器學(xué)習(xí)等多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的多種技術(shù)。本回答內(nèi)將針對數(shù)字化雙胞胎在產(chǎn)品生命周期內(nèi)三個(gè)階段的應(yīng)用，簡要敘述它們背后的一部分主要技術(shù)，并在最后放飛自我，做一個(gè)簡要的總結(jié)和展望。
1.產(chǎn)品的數(shù)字化雙胞胎
產(chǎn)品的數(shù)字化雙胞胎內(nèi)包含有產(chǎn)品所有設(shè)計(jì)元素的信息，如產(chǎn)品的三維幾何模型，系統(tǒng)工程模型，BOM表，一維至三維、多學(xué)科的仿真模型，電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，軟件與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。它可以在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段預(yù)測產(chǎn)品的各項(xiàng)物理性能及整體性能，并在虛擬環(huán)境中對產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)整或優(yōu)化。
產(chǎn)品的數(shù)字化雙胞胎
產(chǎn)品的數(shù)字化雙胞胎背后的關(guān)鍵技術(shù)涉及以下幾個(gè)方面：
數(shù)字建模
這里的數(shù)字建模不僅指代對產(chǎn)品幾何機(jī)構(gòu)和外形的三維建模。對產(chǎn)品內(nèi)部件的運(yùn)動約束，接觸形式，電氣系統(tǒng)，軟件與控制算法等信息進(jìn)行全數(shù)字化的建模技術(shù)同樣是建設(shè)產(chǎn)品數(shù)字化雙胞胎的基礎(chǔ)技術(shù)。
一體化的仿真驗(yàn)證
對單個(gè)維度物理性能或系統(tǒng)性能進(jìn)行數(shù)值仿真的技術(shù)在當(dāng)前已經(jīng)比較成熟。然而，對于復(fù)雜的實(shí)際產(chǎn)品，其運(yùn)行時(shí)的性能涉及到多物理場、多學(xué)科的綜合作用。舉例而言，對海上漂浮的風(fēng)力發(fā)電平臺進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)字化雙胞胎開發(fā)，就需要同時(shí)集成渦輪葉片的空氣動力特性、浮體的水動力特性、浮體的結(jié)構(gòu)變形特性，發(fā)電系統(tǒng)的響應(yīng)特性，控制系統(tǒng)的邏輯與算法等多個(gè)方面的一體化仿真驗(yàn)證技術(shù)。
為此，在數(shù)字化模型的基礎(chǔ)上，基于單個(gè)系統(tǒng)或多個(gè)系統(tǒng)的聯(lián)合仿真對產(chǎn)品的性能進(jìn)行預(yù)測分析同樣是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化雙胞胎的重要技術(shù)。
其他技術(shù)
實(shí)現(xiàn)完備的產(chǎn)品數(shù)字化雙胞胎，還需要建模和仿真之外的其他技術(shù)，如創(chuàng)成式設(shè)計(jì)技術(shù)，基于歷史數(shù)據(jù)的仿真結(jié)果校準(zhǔn)技術(shù)等等。
2.生產(chǎn)的數(shù)字化雙胞胎
生產(chǎn)的數(shù)字化雙胞胎針對于生產(chǎn)裝配的過程，在產(chǎn)品實(shí)際投入生產(chǎn)之前通過仿真等手段驗(yàn)證制造流程在各個(gè)條件下的實(shí)際效果，最終達(dá)到加快生產(chǎn)速度與穩(wěn)定性的目的。
生產(chǎn)流程的數(shù)字化雙胞胎
生產(chǎn)執(zhí)行階段的數(shù)字化雙胞胎
生產(chǎn)的數(shù)字化雙胞胎背后包括以下幾個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：
生產(chǎn)規(guī)劃建模與仿真
對各個(gè)生產(chǎn)單元及其在一起共同工作時(shí)的生產(chǎn)流程進(jìn)行建模與仿真，是建立生產(chǎn)的數(shù)字化雙胞胎的基礎(chǔ)。這其中包括對各個(gè)生產(chǎn)單元的數(shù)字化建模與展示，也包括對物料流、排程排產(chǎn)邏輯、自動引導(dǎo)車（AGV）控制算法等生產(chǎn)流程的數(shù)值仿真。
虛擬的生產(chǎn)調(diào)試
在生產(chǎn)的執(zhí)行階段，對各個(gè)生產(chǎn)單元內(nèi)的工作流程與效率進(jìn)行的過程建模與仿真，也是生產(chǎn)的數(shù)字化雙胞胎的重要基礎(chǔ)。這其中可以包括機(jī)械設(shè)備自動化操作過程的仿真，例如在汽車的裝配過程中，對多個(gè)協(xié)同工作的機(jī)器手臂控制算法進(jìn)行虛擬調(diào)試，是驗(yàn)證總體結(jié)果，保證生產(chǎn)順利進(jìn)行的重要步驟。另一方面，在自動化運(yùn)行的設(shè)備之外，對生產(chǎn)單元內(nèi)人機(jī)交互過程的仿真和調(diào)試也是生產(chǎn)的數(shù)字化雙胞胎的背后技術(shù)之一。
3.性能的數(shù)字化雙胞胎
性能的數(shù)字化雙胞胎，既包括實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)品的生產(chǎn)執(zhí)行階段的生產(chǎn)性能數(shù)字化雙胞胎，也包括產(chǎn)品投入使用時(shí)的產(chǎn)品性能數(shù)字化雙胞胎。前者面向的是工廠與制造商，基于生產(chǎn)線的實(shí)際情況與運(yùn)行信息反饋對生產(chǎn)的數(shù)字化雙胞胎進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化；后者面向的是產(chǎn)品的使用客戶，基于物理傳感器等信息對具體產(chǎn)品的實(shí)際特性進(jìn)行提取與分析，實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)等功能，也可以通過產(chǎn)品的實(shí)際運(yùn)行信息反饋指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案。
性能的數(shù)字化雙胞胎
總體而言，性能的數(shù)字化雙胞胎將從物理實(shí)體中獲得數(shù)據(jù)輸入，并通過數(shù)據(jù)分析將實(shí)際結(jié)果反饋到整個(gè)數(shù)字化雙胞胎體系中，產(chǎn)生封閉的決策循環(huán)。下面這個(gè)視頻就是性能的數(shù)字化雙胞胎應(yīng)用的一個(gè)實(shí)例：
實(shí)現(xiàn)性能的數(shù)字化雙胞胎需要以下幾類關(guān)鍵技術(shù)：
快速仿真，實(shí)時(shí)預(yù)測
在生產(chǎn)的實(shí)際執(zhí)行階段或者產(chǎn)品的運(yùn)行階段，原材料、設(shè)備、流程、人員或者環(huán)境參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)等系統(tǒng)信息隨時(shí)會出現(xiàn)調(diào)整與變動，而性能的數(shù)字化雙胞胎需要將這些變動實(shí)時(shí)的在數(shù)字空間內(nèi)進(jìn)行更新。為此，結(jié)合物理傳感器輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、實(shí)時(shí)的仿真與預(yù)測是性能的數(shù)字化雙胞胎的重要技術(shù)。
舉例而言，在產(chǎn)品投入運(yùn)行后，基于數(shù)據(jù)輸入與快速仿真技術(shù)可以對重要但難以測量的性能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的仿真計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的預(yù)測性維護(hù)等功能。視頻內(nèi)就是電機(jī)運(yùn)行過程中，對電機(jī)內(nèi)部溫度應(yīng)用性能的數(shù)字化雙胞胎進(jìn)行分析的例子。
大數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)閉環(huán)
生產(chǎn)線或產(chǎn)品的各個(gè)物理傳感器會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，對這些實(shí)際數(shù)據(jù)應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)等方法進(jìn)行分析是實(shí)現(xiàn)主動響應(yīng)，事故溯源，預(yù)測性維護(hù)等數(shù)字化雙胞胎信息反饋功能的重要技術(shù)。例如，生產(chǎn)性能的數(shù)字化雙胞胎可以對生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的事故等實(shí)際情況進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，通過機(jī)器學(xué)習(xí)與數(shù)值模擬驗(yàn)證等方式實(shí)現(xiàn)原因分析，并針對事故原因提出產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)流程設(shè)計(jì)中針對性的改進(jìn)方案。
總結(jié)而言，數(shù)字化雙胞胎背后的關(guān)鍵技術(shù)涉及數(shù)值建模與仿真、機(jī)器學(xué)習(xí)以及將信息連接起來的物聯(lián)網(wǎng)、云平臺等領(lǐng)域，對這些領(lǐng)域內(nèi)的數(shù)據(jù)和應(yīng)用的集成能力同樣是數(shù)字化雙胞胎的關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前，數(shù)字化雙胞胎的應(yīng)用領(lǐng)域與范疇還在不斷發(fā)展，以上各個(gè)領(lǐng)域的突破都可能會提高數(shù)字化雙胞胎的實(shí)際能力，成為未來數(shù)字化雙胞胎概念的關(guān)鍵技術(shù)。
本回答內(nèi)以數(shù)字化雙胞胎產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)閯澐?，簡要敘述了其背后的一些關(guān)鍵的技術(shù)。從研究的角度，還有更多的技術(shù)問題沒有提及，比如結(jié)合自然語言處理的語義建模技術(shù)等等。由于作者能力所限，本文內(nèi)關(guān)于數(shù)字化雙胞胎概念內(nèi)技術(shù)、概念和應(yīng)用的討論難免掛一漏萬，歡迎各位在評論里一起交流，共同進(jìn)步。
在科幻的世界中，人類終有一天會將自己的意識上傳到數(shù)字世界，實(shí)現(xiàn)“永恒”。而在更實(shí)際的未來世界中，我們可以應(yīng)用數(shù)字化雙胞胎的概念，將各個(gè)物理產(chǎn)品實(shí)體內(nèi)包含的全部信息進(jìn)行數(shù)字化、關(guān)聯(lián)化，從它的設(shè)計(jì)方案、加工過程、運(yùn)行狀態(tài)等信息內(nèi)，發(fā)掘信息內(nèi)深藏著的價(jià)值。在作者看來，這些物理實(shí)體的數(shù)字化雙胞胎，將是未來物聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)之一，也將對工業(yè)制造業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生革命性的影響。
最后要說明一下本回答的利益相關(guān)：作為工業(yè)數(shù)字化全球領(lǐng)軍企業(yè)，西門子早在2007年就明確了“融合物理世界和虛擬世界”的戰(zhàn)略愿景。如西門子（中國）有限公司執(zhí)行副總裁、數(shù)字化工廠集團(tuán)總經(jīng)理王海濱所說[2]：“作為全球唯一一家能在產(chǎn)品研發(fā)與制造過程以及工廠管理的完整價(jià)值鏈上提供‘數(shù)字化雙胞胎’的企業(yè)，西門子能夠幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)端到端的數(shù)字化，使高效的大規(guī)模定制化生產(chǎn)成為可能。”
