在工業(yè)制造智能化過程中，數(shù)字孿生實(shí)際充當(dāng)著基礎(chǔ)與底座的角色。因?yàn)橹悄苤圃煜到y(tǒng)首先要能感知，然后才是分析推理，但如果沒有數(shù)字孿生對(duì)現(xiàn)實(shí)物理設(shè)施與生產(chǎn)制造體系的準(zhǔn)確建模，智能制造系統(tǒng)將是無源之水。
中華人民共和國工業(yè)和信息化部副部長辛國斌日前主持“國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)調(diào)推進(jìn)和專家咨詢組全體會(huì)議”時(shí)提出，要加強(qiáng)對(duì)5G、人工智能、數(shù)字孿生等新技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的前瞻布局。對(duì)于許多人來說，5G和人工智能已經(jīng)耳熟能詳，但數(shù)字孿生卻是一個(gè)相對(duì)陌生的概念，而恰恰是這個(gè)聽上去有些高大上的技術(shù)物種，未來可以落地應(yīng)用的價(jià)值場景分外多彩而廣闊。
鏈接現(xiàn)實(shí)與虛擬
看過電影《鋼鐵俠》的人一定不會(huì)忘記其中一個(gè)十分經(jīng)典的畫面：托尼·史塔克在設(shè)計(jì)、改進(jìn)和修理鋼鐵俠戰(zhàn)衣的時(shí)候，并不是在圖紙或?qū)嵨锷线M(jìn)行操作，而是通過一個(gè)虛擬的影像映射場景來輔助實(shí)現(xiàn)，而這個(gè)可視化、智能化、數(shù)字化的映射場景其實(shí)就是數(shù)字孿生（Digital Twin）。按照美國航空航天局（NASA）給出的最權(quán)威解釋，數(shù)字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對(duì)實(shí)體產(chǎn)品的鏡像，反映了相對(duì)應(yīng)物理實(shí)體產(chǎn)品的全生命周期過程。說得通俗些，數(shù)字孿生就是將現(xiàn)實(shí)世界的物理體或者系統(tǒng)以及流程等復(fù)制到虛擬空間，生成一個(gè)“克隆體”，二者最終組成一個(gè)“數(shù)字雙胞胎”。
聽上去數(shù)字孿生好像是一般人自己拍照片那么簡單，其實(shí)不然。數(shù)字孿生除了實(shí)時(shí)與準(zhǔn)時(shí)創(chuàng)建與物理實(shí)體等價(jià)的“克隆體”或數(shù)字模型外，更重要的是它還會(huì)“動(dòng)”，即根據(jù)傳感現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)以及物理本體周邊場景數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，為物理實(shí)體的后續(xù)運(yùn)行提供改進(jìn)與優(yōu)化方案，并會(huì)輻射到物理實(shí)體的全生命周期過程，因此，雙向性即本體向?qū)\生體輸出數(shù)據(jù)和建成模型，同時(shí)孿生體向本體反饋信息和輸出優(yōu)解是數(shù)字孿生的核心特征?？吹贸?，數(shù)字孿生可以支持與引導(dǎo)人們穿越虛實(shí)界墻，在物理主體與數(shù)字模型之間自由交互與行走，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界的彼此交融。
既然數(shù)字孿生完全不同于簡單的影像生成與上傳，同樣就不難理解數(shù)字孿生肯定不同于CAD（計(jì)算輔助技術(shù)），也有別于VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）與AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)），因?yàn)楹笳呓刂聊壳岸歼€是單向的，即人們可以沉浸其中，但它們都不會(huì)因某些需求的出現(xiàn)而發(fā)生及時(shí)調(diào)整與改變。但是，數(shù)字孿生在的確離不開VR和AR的同時(shí)，更需要大數(shù)據(jù)、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）以及AI等技術(shù)的支持。沒有物聯(lián)網(wǎng)就不可能實(shí)現(xiàn)端與端的鏈接，而失去傳感器，數(shù)據(jù)就只能孤立存在于現(xiàn)實(shí)物體，更談不上虛擬世界的信息反饋，同樣，離開了AI，數(shù)字模型就等于失去了“大腦”，數(shù)字孿生只能成為僅有軀殼的“胚胎”。而在這一技術(shù)矩陣中，數(shù)字孿生猶如可以點(diǎn)火的引擎，帶動(dòng)各個(gè)技術(shù)細(xì)胞次序活躍與協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)。
廣闊的應(yīng)用場景
從時(shí)間上看，最先使用數(shù)字孿生的是美國國家航空航天局（NASA）的阿波羅項(xiàng)目，當(dāng)時(shí)NASA首先在數(shù)字空間建立真實(shí)飛行器模型，并通過傳感器實(shí)現(xiàn)與飛行器真實(shí)狀態(tài)完全同步，通過監(jiān)測和預(yù)測空間飛行器的飛行狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，輔助地面控制人員作出正確決策。此舉對(duì)作為NASA供應(yīng)商的工業(yè)生產(chǎn)廠家啟發(fā)很大，尤其是隨著最近幾年發(fā)達(dá)國家先后提出工業(yè)4.0、智能制造以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略，以美國通用電氣（GE）、德國西門子等為代表的大型工業(yè)企業(yè)紛紛擁抱數(shù)字孿生，導(dǎo)致工業(yè)制造成為了數(shù)字孿生最為活躍的戰(zhàn)場。
對(duì)于工業(yè)企業(yè)而言，產(chǎn)品無疑是首先可以數(shù)字孿生的對(duì)象，從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，到產(chǎn)品的制造、以及產(chǎn)品的倉儲(chǔ)與運(yùn)輸，均可以通過數(shù)據(jù)建模實(shí)現(xiàn)全流程的監(jiān)控分析，從中既可以及時(shí)調(diào)整與完善產(chǎn)品的形狀、結(jié)構(gòu)以及工藝，又可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量瑕疵，并進(jìn)行同步性修補(bǔ)與改善。同樣的道理，企業(yè)的整條產(chǎn)品生產(chǎn)線也可以數(shù)字孿生，借助賽博空間（計(jì)算機(jī)以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)里的虛擬現(xiàn)實(shí)）生產(chǎn)線的等價(jià)映射鏡像，提前優(yōu)化生產(chǎn)流程中的資源與要素配置，同時(shí)捕捉與清除相關(guān)的線上堵點(diǎn)，達(dá)到對(duì)整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)活動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)隔離與健康管理。
數(shù)字孿生當(dāng)然可以延伸到后續(xù)服務(wù)層面。比如通過對(duì)產(chǎn)品的幾何形狀、性能、歷史銷售、用戶反饋等進(jìn)行建模，就可以改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品運(yùn)行“黑箱”狀態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)測產(chǎn)品的使用與運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品具體功能偏差的同時(shí)，更能提前預(yù)判產(chǎn)品零部件的損壞時(shí)間界面，以便主動(dòng)、及時(shí)和提前提供維護(hù)服務(wù)。根據(jù)知名咨詢公司Gartner發(fā)布的分析報(bào)告，基于數(shù)字孿生的產(chǎn)品智能服務(wù)，維修人員的響應(yīng)時(shí)間從原來的300分鐘縮短到了15分鐘，同時(shí)一次性修復(fù)率從75%提升到92%。
智能車間與智能工廠是數(shù)字孿生的可視化成果。任何一個(gè)車間與企業(yè)，都可以將機(jī)器裝備、生產(chǎn)制造體系以及倉儲(chǔ)設(shè)備等孿生成賽博空間的等價(jià)數(shù)據(jù)模型，并借此對(duì)實(shí)體物理基礎(chǔ)設(shè)施的工作狀況進(jìn)行同步及時(shí)的測試與檢測，從中揭示人機(jī)匹配與交互程度，勘驗(yàn)固定資產(chǎn)使用壽命和折舊必要性，同時(shí)分析與跟蹤產(chǎn)量進(jìn)度指標(biāo)與產(chǎn)品庫存態(tài)勢，預(yù)測與排除要素搭配中的掣肘與障礙，發(fā)現(xiàn)與糾正生產(chǎn)過程中的偏差與失誤，確保企業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施與生產(chǎn)能力在最佳生命時(shí)段與優(yōu)化情景中運(yùn)行遞進(jìn)。
智能化與數(shù)字化驅(qū)動(dòng)
在工業(yè)制造智能化過程中，數(shù)字孿生實(shí)際充當(dāng)著基礎(chǔ)與底座的角色。因?yàn)橹悄苤圃煜到y(tǒng)首先要能感知，然后才是分析推理，但如果沒有數(shù)字孿生對(duì)現(xiàn)實(shí)物理設(shè)施與生產(chǎn)制造體系的準(zhǔn)確建模，智能制造系統(tǒng)將是無源之水。縱向上看，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、到生產(chǎn)制造，再到倉儲(chǔ)運(yùn)輸以及后續(xù)服務(wù)，數(shù)字孿生協(xié)助企業(yè)對(duì)全產(chǎn)業(yè)鏈與全生命周期進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測與管理；橫向上看，從智能生產(chǎn)線，到智能車間，再到智能工廠，數(shù)字孿生支持對(duì)企業(yè)所有資產(chǎn)設(shè)備與基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)化與升級(jí)，因此，數(shù)字孿生可以說是工業(yè)制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)。
從實(shí)踐過程中，數(shù)字孿生體現(xiàn)出的智能化價(jià)值也遠(yuǎn)超我們的想象。對(duì)于企業(yè)來說，往往一項(xiàng)新的設(shè)備在首次投入使用時(shí)會(huì)存在風(fēng)險(xiǎn)，比如操作不當(dāng)導(dǎo)致關(guān)鍵零部件或者整套設(shè)備損壞等，但有了數(shù)字孿生，企業(yè)就不需要進(jìn)行不確定性實(shí)地風(fēng)險(xiǎn)測試，實(shí)體生產(chǎn)過程都會(huì)在有備無患的狀態(tài)下啟動(dòng)與展開。另外，數(shù)字孿生最特異的功能就是預(yù)測，一切的未知都會(huì)被數(shù)字孿生揭示出來，在引導(dǎo)企業(yè)建立起嚴(yán)密的健康管理系統(tǒng)（IVHM）的同時(shí)，數(shù)字孿生屏蔽了企業(yè)運(yùn)營管理過程中的所有不安因素。還有，賽博空間的數(shù)據(jù)模型一般與實(shí)體物理設(shè)備同步進(jìn)行，傳統(tǒng)狀態(tài)下企業(yè)檢修或者維修機(jī)器設(shè)備，往往會(huì)產(chǎn)生停工停產(chǎn)等不小的機(jī)會(huì)成本，但一旦實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生，所有的故障都首先在桌面上檢測后排除，繼而反饋到實(shí)體設(shè)備完成檢修任務(wù)，整個(gè)過程不會(huì)影響到機(jī)器作業(yè)程序，生產(chǎn)效率由此大大提高。
實(shí)體企業(yè)的應(yīng)用案例有力佐證了數(shù)字孿生的重要價(jià)值。目前，美國通用電氣共擁有120萬個(gè)數(shù)字孿生體，號(hào)稱在每個(gè)引擎、每個(gè)渦輪、每臺(tái)核磁共振中都創(chuàng)造了一個(gè)數(shù)字孿生體，由此讓GE成為了美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的排頭兵；在產(chǎn)品制造領(lǐng)域，勞斯萊斯使用數(shù)字孿生風(fēng)扇葉片來制造超級(jí)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，產(chǎn)生了降低燃油消耗25%的效果；產(chǎn)品研發(fā)方面，葛蘭素史克疫苗研發(fā)及生產(chǎn)通過“數(shù)字孿生”的監(jiān)控，企業(yè)的質(zhì)量控制開支減少13%，返工和報(bào)廢減少25%，合規(guī)監(jiān)管費(fèi)用減少了70%。
基于數(shù)字孿生的巨大價(jià)值，Gartner連續(xù)四年將“數(shù)字孿生”列為當(dāng)年的十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢之一，并預(yù)測未來這一技術(shù)物種還會(huì)產(chǎn)生更大的破壞性創(chuàng)新。據(jù)Gartner統(tǒng)計(jì)，去年全球部署物聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)和組織中已有13%應(yīng)用數(shù)字孿生，62%的組織正在準(zhǔn)備使用數(shù)字孿生；另據(jù)IDC（互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心）的報(bào)告，今年全球頭部600家企業(yè)都會(huì)使用數(shù)字孿生來提供產(chǎn)品創(chuàng)新。按照Gartner的預(yù)測，明年全球?qū)⒂邪霐?shù)的大型工業(yè)企業(yè)使用數(shù)字孿生，從而使這些企業(yè)的效率提高10%；2024年會(huì)有超過25%的全新數(shù)字孿生作為新loT原生業(yè)務(wù)應(yīng)用的綁定功能被采用。
就國內(nèi)而言，由于受到資金的約束，加之?dāng)?shù)字孿生需要相關(guān)工業(yè)設(shè)備的更新與升級(jí)，數(shù)字孿生所必需的綜合性技術(shù)整合與對(duì)接等配套功能也有待完善，因此數(shù)字孿生尚缺乏大規(guī)模在企業(yè)與車間進(jìn)行應(yīng)用的條件，但產(chǎn)品的數(shù)字孿生應(yīng)當(dāng)完全沒有成本與技術(shù)門檻。另外，為了防止企業(yè)面對(duì)數(shù)字孿生無所適從或者試錯(cuò)成本高昂的情況出現(xiàn)，有必要制定數(shù)字孿生的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，包括基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)、關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工具/平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)、測評(píng)標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)等。
