導(dǎo) 讀 ( 文/ e-works CEO、總編 黃培博士 )
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“走入歧途”。
當(dāng)前，數(shù)字孿生（Digital twin）是各界關(guān)注的熱點，全球著名IT研究機構(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)陶飛教授團隊對數(shù)字孿生技術(shù)進行了長期的深入研究，撰寫了一批國際水準(zhǔn)的學(xué)術(shù)論文。近期，美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC）、IDC、埃森哲、中國信通院、賽迪等研究機構(gòu)相繼發(fā)表了相關(guān)白皮書，我國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)界對于數(shù)字孿生技術(shù)還存在一些模糊甚至錯誤的認(rèn)識，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“走入歧途”。為此，本文希望結(jié)合工業(yè)界的應(yīng)用需求與實踐，厘清對數(shù)字孿生的基本認(rèn)識，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)界主流公司都對數(shù)字孿生給出了自己的理解和定義，對于數(shù)字孿生的來源，本文不再贅述。本文首先對Gartner在過去三年對數(shù)字孿生的論述進行解讀。
2017年，Gartner在十大新興技術(shù)的專題對數(shù)字孿生的解釋是：數(shù)字孿生是實物或系統(tǒng)的動態(tài)軟件模型，在三到五年內(nèi)，數(shù)十億計的實物將通過數(shù)字孿生來表達。通過應(yīng)用實物的零部件運行和對環(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際運行狀況，應(yīng)對變化，改善運營，實現(xiàn)增值。數(shù)字孿生所發(fā)揮的作用就像一個專業(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。推進數(shù)字孿生應(yīng)用需要進行文化變革，結(jié)合設(shè)備維護專家、數(shù)據(jù)科學(xué)家和IT專家的優(yōu)勢。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)字表達結(jié)合起來，以實現(xiàn)對現(xiàn)實世界更加精確的數(shù)字表達，從而實現(xiàn)仿真、分析和控制。[1]
△ 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年時間。
2018年，Gartner在十大新興技術(shù)專題中對數(shù)字孿生的解釋是：數(shù)字孿生是現(xiàn)實世界實物或系統(tǒng)的數(shù)字化表達。隨著物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，數(shù)字孿生可以連接現(xiàn)實世界的對象，提供其狀態(tài)信息，響應(yīng)變化，改善運營并增加價值。到2020年，估計將有210億個傳感器和末端接入點連接在一起，在不久的將來，數(shù)十億計物體將擁有數(shù)字孿生模型。Gartner公司副總裁David Cearley指出，通過維修、維護與運營（MRO）以及通過物聯(lián)網(wǎng)提升設(shè)備運營績效，有望節(jié)省數(shù)十億美元。[2]
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)提升運營績效。
除了通過物聯(lián)網(wǎng)連接“物”，數(shù)字孿生連接的對象還有更多。“隨著時間的推移，我們這個世界的萬事萬物幾乎都可以與其數(shù)字對象動態(tài)地相互連接，并能夠基于AI實現(xiàn)高級仿真、運營和分析，” Cearley指出。“從長遠(yuǎn)來看，從事城市規(guī)劃、數(shù)字營銷、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別和醫(yī)療數(shù)據(jù)，而整個城市的數(shù)字孿生模型將能夠?qū)崿F(xiàn)高級模擬。
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)專題中對數(shù)字孿生的解釋如下：
數(shù)字孿生是現(xiàn)實生活中物體、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，可以回溯到用計算機輔助設(shè)計來表述產(chǎn)品，或者建立客戶的在線檔案，但是如今的數(shù)字孿生有以下四點不同：[3]
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)實世界的連接，具有實現(xiàn)實時監(jiān)控和控制的潛力；
應(yīng)用高級大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)來獲取新的商機；
數(shù)字孿生模型與實物模型的交互，并評估各種場景如何應(yīng)對的能力。
當(dāng)前的重點是基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的數(shù)字孿生，可以通過提供維護和可靠性信息，洞察產(chǎn)品如何更有效地運行和有關(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，可以進行實時監(jiān)控并提高流程效率。
從上述分析中可以看出，Gartner對于數(shù)字孿生的理解也有一個不斷演進的過程，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)品的運行績效，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研究機構(gòu)CIMdata認(rèn)為：數(shù)字孿生模型不可能單獨存在；可以有多個針對不同用途的數(shù)字孿生模型，每個都有其特定的特征，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；每個數(shù)字孿生模型必須有一個對應(yīng)的物理實體，數(shù)字孿生模型可以而且應(yīng)該先于物理實體而存在；物理實體可以是工廠、船舶、基礎(chǔ)設(shè)施、汽車或任何類型的產(chǎn)品；每個數(shù)字孿生模型必須與其對應(yīng)物理實體有某些形式的數(shù)據(jù)交互，但不必是實時或電子形式。
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)測和優(yōu)化績效以改善業(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。[4]
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)測物理對象或產(chǎn)品的性能特征。數(shù)字孿生用于在產(chǎn)品的整個生命周期，在物理原型和資產(chǎn)投資之前模擬、預(yù)測和優(yōu)化產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)。[5]
SAP認(rèn)為：數(shù)字孿生是物理對象或系統(tǒng)的虛擬表示，但其遠(yuǎn)遠(yuǎn)不僅是一個高科技的外觀。數(shù)字孿生使用數(shù)據(jù)、機器學(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)。[6]
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****途徑。對于工業(yè)企業(yè)，數(shù)字孿生主要應(yīng)用于產(chǎn)品的工程設(shè)計、運營和服務(wù)，帶來重要的商業(yè)價值,并為整個企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型奠定基礎(chǔ)。[7]
陶飛教授指出：當(dāng)前對數(shù)字孿生存在多種不同認(rèn)識和理解，目前尚未形成統(tǒng)一共識的定義，但物理實體、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，對數(shù)字孿生的認(rèn)識與實踐離不開具體對象、具體應(yīng)用與具體需求。從應(yīng)用和解決實際需求的角度出發(fā)，實際應(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)字孿生是實踐先行，概念后成；數(shù)字孿生模型可以與實物模型高度相像，而不可能相等；數(shù)字孿生模型和實物模型也不是一個簡單的一對一的對應(yīng)關(guān)系，而可能存在一對多，多對一、多對多，甚至一對少，一對零和零對一等多種對應(yīng)關(guān)系。
結(jié)合學(xué)術(shù)界的研究和工業(yè)界的實踐，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)建物理實體所對應(yīng)的數(shù)字孿生模型，并對數(shù)字孿生模型進行可視化、調(diào)試、體驗、分析與優(yōu)化，從而提升物理實體性能和運行績效的綜合性技術(shù)策略，是企業(yè)推進數(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映射。通過對物理實體構(gòu)建數(shù)字孿生模型，實現(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，需要通過對數(shù)字孿生模型的分析與優(yōu)化，來改善其對應(yīng)的物理實體的性能和運行績效。
任何物理實體都可以創(chuàng)建其數(shù)字孿生模型，一個零件、一個部件、一個產(chǎn)品、一臺設(shè)備、一把加工刀具、一條生產(chǎn)線、一個車間、一座工廠、一個建筑、一座城市，乃至一顆心臟、一個人體等。對于不同的物理實體，其數(shù)字孿生模型的用途和側(cè)重點差異很大。
例如，達索系統(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。Biodigital公司創(chuàng)建了生物數(shù)字人體模擬演示的在線平臺，可以幫助醫(yī)生和科學(xué)家研究人體構(gòu)造，進行模擬試驗。在太空探索的過程中，科學(xué)家通過數(shù)字孿生模型對遠(yuǎn)在太空的航天器，例如登陸火星的“好奇號”火星車進行遠(yuǎn)程監(jiān)控、仿真與操控。顯然，物理實體的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，其對應(yīng)的數(shù)字孿生模型也會越復(fù)雜，實現(xiàn)數(shù)字孿生應(yīng)用的難度也更大。
△ 圖源：達索系統(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、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)計技術(shù)從早期的二維設(shè)計發(fā)展到三維建模，從三維線框造型進化到三維實體造型、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)計階段，并且可以實現(xiàn)三維工藝設(shè)計。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)實技術(shù)（VR）取得了蓬勃發(fā)展，廣泛用于汽車、飛機、工廠等復(fù)雜對象的虛擬體驗，包括沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)Cave，用于產(chǎn)品展示和市場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)展起來增強現(xiàn)實技術(shù)(AR)，其特點是可以將實物模型和數(shù)字化模型融合在一個可視化環(huán)境之中，從而實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的可視化，還可以進行產(chǎn)品操作、裝拆及維修過程的三維可視化，實現(xiàn)產(chǎn)品操作培訓(xùn)、維修維護等應(yīng)用。
虛擬仿真技術(shù)從早期的有限元分析發(fā)展到對流場、熱場、電磁場等多個物理場的仿真，多領(lǐng)域物理建模，對振動、碰撞、噪聲、爆炸等各種物理現(xiàn)象的仿真，對產(chǎn)品的運動仿真，及材料力學(xué)、彈性力學(xué)和動力學(xué)仿真，對產(chǎn)品長期使用的疲勞仿真，對整個產(chǎn)品的系統(tǒng)仿真，以及針對注塑、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)品實現(xiàn)整體性能最優(yōu)的多學(xué)科仿真與優(yōu)化，針對數(shù)控加工和工業(yè)機器人的運動仿真（其中數(shù)控仿真又可以分為僅仿真刀具軌跡，以及仿真整個工件、刀具和數(shù)控裝備的運動），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）、Virtual Prototype（虛擬樣機）、Functional Virtual Prototype（全功能虛擬樣機）等技術(shù)，主要是用于實現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的運動仿真、裝配仿真和性能仿真。通過對數(shù)字樣機進行虛擬試驗，可以減少物理樣機和物理試驗的數(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。除在消費領(lǐng)域應(yīng)用之外，為了支持高價值工業(yè)設(shè)備的運行監(jiān)控和維修維護，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，我在美國參加西門子工業(yè)軟件一年一度的全球媒體與分析師會議時，西門子應(yīng)用了Digital Twin、Digital Thread（數(shù)字主線）等術(shù)語。我當(dāng)時建議他們對這些名詞術(shù)語給予解釋，后來西門子給我發(fā)來對十多個名詞的解釋，e-works專門對這些名詞術(shù)語進行了翻譯，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)字孿生模型是相對于其物理模型而言的。可以先建立數(shù)字孿生模型，應(yīng)用數(shù)字孿生模型來進行虛擬試驗，但最終還是要建立物理模型，通過對數(shù)字孿生的分析，來優(yōu)化物理模型的運行。
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，又促進了這些關(guān)鍵使能技術(shù)的進一步發(fā)展。
04
產(chǎn)品的數(shù)字孿生
和工廠的數(shù)字孿生
不同物理實體的數(shù)字孿生應(yīng)用重點差別很大。
產(chǎn)品數(shù)字孿生應(yīng)用的重點在于復(fù)雜的機電軟一體化裝備，例如發(fā)電設(shè)備、工程機械、機械加工中心、高端醫(yī)療設(shè)備、航空發(fā)動機、飛機、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)計制造生命周期，可以通過在實物樣機上安裝傳感器，在樣機測試的過程中，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，通過對數(shù)字孿生模型進行仿真和優(yōu)化，從而改進和提升最終定型產(chǎn)品的性能；還可以通過半實物仿真的方式，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行實時仿真和試驗，驗證和優(yōu)化產(chǎn)品性能。另一方面，在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計時，大多數(shù)零部件會重用前一代產(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。尤其是對于長壽命的復(fù)雜裝備，通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)采集設(shè)備運行數(shù)據(jù)，并與其數(shù)字孿生模型在相同工況下的仿真結(jié)果進行比對，可以分析出該設(shè)備的運行是否正常，運行績效如何，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，進行故障預(yù)測等。對于高端裝備產(chǎn)品，其數(shù)字孿生模型應(yīng)當(dāng)包括每一個實物產(chǎn)品服役的全生命周期數(shù)字化檔案。
在產(chǎn)品的報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行再利用和再制造。例如SpaceX公司的一級火箭實現(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)來對構(gòu)建工廠的數(shù)字孿生模型，并對自動化控制系統(tǒng)和產(chǎn)線進行虛擬調(diào)試；在工廠建設(shè)期間，數(shù)字孿生模型可以作為現(xiàn)場施工的指南，還可以應(yīng)用AR等技術(shù)在施工現(xiàn)場指導(dǎo)施工；而在工廠建成之后正式運行期間，可以通過其數(shù)字孿生模型對實體工廠的生產(chǎn)設(shè)備、物流設(shè)備、檢測與試驗設(shè)備、產(chǎn)線和儀表的運行狀態(tài)與績效，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)進行可視化，在此基礎(chǔ)上進行分析與優(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)，對車間進行視頻監(jiān)控，顯示設(shè)備狀態(tài)（停機、正常、預(yù)警和報警等），展示各種分析報表和圖表等。構(gòu)建數(shù)字孿生工廠可以進一步提升工廠運行的透明度。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，對于工廠管理者實時洞察生產(chǎn)、質(zhì)量和能耗情況，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，避免非計劃停機，也具有實用價值。
需要強調(diào)的是，對于一個已經(jīng)建成投產(chǎn)的工廠，在工廠運行過程中，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）。
下圖是美的集團的數(shù)字孿生工廠應(yīng)用實例。
△ 美的集團數(shù)字孿生工廠應(yīng)用實例
數(shù)字孿生工廠對于離散制造企業(yè)和流程制造企業(yè)都有十分重要的價值。在考察英國Aveva公司時，我們觀摩了該公司對于化工廠和無人海上鉆井平臺的數(shù)字孿生應(yīng)用展示，數(shù)字孿生應(yīng)用對于工廠的安全運營具有重要意義。
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現(xiàn)融合應(yīng)用。在推進工廠的數(shù)字孿生應(yīng)用時，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)地對產(chǎn)品制造過程進行分析和優(yōu)化。
05
產(chǎn)品數(shù)字孿生模型的演進
和數(shù)字主線
產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型是一個“不斷生長、不斷豐富”的過程，在整個產(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、測試信息到維護信息，不斷擴展，不斷豐富，不斷完善。數(shù)字孿生模型越完整，就越能夠逼近其對應(yīng)的實體對象，從而對實體對象進行可視化、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，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)字主線把各個階段的數(shù)字孿生模型串起，來進行整合分析。
△ 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》白皮書中非常強調(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、供應(yīng)鏈、制造、售后服務(wù)等各個環(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)，使其能對產(chǎn)品及其運行提供全景的動態(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、制造和運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)計至運維的整個生命周期內(nèi)，使用經(jīng)過數(shù)字主線管控的數(shù)據(jù)對產(chǎn)品進行建模、對產(chǎn)品的性能、行為進行仿真、預(yù)測、診斷和反饋。
06
數(shù)字孿生
在制造業(yè)的典型應(yīng)用場景
數(shù)字孿生技術(shù)在各個行業(yè)有廣泛的應(yīng)用場景。陶飛教授團隊在《計算機集成制造系統(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、城市管理、智慧農(nóng)業(yè)、建筑建設(shè)、安全急救、環(huán)境保護等11個領(lǐng)域，45個細(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、測試、運維等各個生命周期，可以幫助企業(yè)推進數(shù)字化營銷和自助式服務(wù)，有助于企業(yè)提升維護服務(wù)收入，創(chuàng)新商業(yè)模式；工廠數(shù)字孿生在工廠設(shè)計、建造，生產(chǎn)線調(diào)試、安裝，工廠運行監(jiān)控、工業(yè)安全等方面都可以對企業(yè)帶來價值；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)品的運行監(jiān)控和智能運維。
對于能夠?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，將實時采集的裝備運行過程中的傳感器數(shù)據(jù)傳遞到其數(shù)字孿生模型進行仿真分析，可以對裝備的健康狀態(tài)和故障征兆進行診斷，并進行故障預(yù)測；如果產(chǎn)品運行的工況發(fā)生改變，對于擬采取的調(diào)整措施，可以先對其數(shù)字孿生模型在仿真云平臺上進行虛擬驗證，如果沒有問題，再對實際產(chǎn)品的運行參數(shù)進行調(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)避免非計劃性停機，實現(xiàn)預(yù)測性維護和運行控制與優(yōu)化。
△ ANSYS在風(fēng)電行業(yè)的數(shù)字孿生應(yīng)用案例
對于航空發(fā)動機的數(shù)字孿生應(yīng)用，由于每臺發(fā)動機的飛行履歷不同，飛行的環(huán)境不同，健康服役的壽命，以及維護歷史差別很大，因此，應(yīng)當(dāng)對每臺航空發(fā)動機建立其對應(yīng)的數(shù)字孿生模型。GE航空對于正在空中運行的航空發(fā)動機進行實時監(jiān)控，一旦出現(xiàn)故障隱患，可以通過對數(shù)字孿生模型的分析來預(yù)測風(fēng)險等級，及時進行維修維護，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航空發(fā)動機每個架次的飛行路線、承載量，以及不同飛行員的駕駛習(xí)慣和對應(yīng)的油耗，通過分析和優(yōu)化，可以延長發(fā)動機的服役周期，并改進發(fā)動機的設(shè)計方案。
△ 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，實現(xiàn)產(chǎn)品的健康管理、遠(yuǎn)程診斷、智能維護和共享服務(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)測故障，從而節(jié)約運維成本。GE航空通過匯總設(shè)計、制造、運行、完整飛行周期的相關(guān)數(shù)據(jù)，預(yù)測航空發(fā)動機的性能表現(xiàn)：
○ 將發(fā)動機傳感器數(shù)據(jù)與性能模型結(jié)合，根據(jù)運行環(huán)境的變化和物理發(fā)動機性能的衰減，構(gòu)建自適應(yīng)模型，精準(zhǔn)監(jiān)測航空發(fā)動機的部件和整機性能；
○ 將發(fā)動機歷史維修數(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；
○ 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)動的方法，構(gòu)建性能預(yù)測模型，預(yù)測整機性能和剩余壽命；
○ 將局部線性化模型與飛機運行狀態(tài)環(huán)境模型融合并構(gòu)建控制優(yōu)化模型，實現(xiàn)發(fā)動機控制性能尋優(yōu)，使發(fā)動機在飛行過程中發(fā)揮更好的性能。
西門子將來自智能傳感器的溫度、加速度、壓力和電磁場等信號和數(shù)據(jù)，以及來自數(shù)字孿生模型中的多物理場模型和電磁場仿真和溫度場仿真結(jié)果傳遞到Mindsphere平臺，通過進行對比和評估，來判斷產(chǎn)品的可用性、運行績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畫。在實物環(huán)境下，透過各種穿戴設(shè)備或移動終端進行示教。PTC提供了先進易用的AR應(yīng)用平臺。
② 工廠運行狀態(tài)的實時模擬和遠(yuǎn)程監(jiān)控。
對于正在運行的工廠，通過其數(shù)字孿生模型可以實現(xiàn)工廠運行的可視化。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，還可以定位每一臺物流裝備的位置和狀態(tài)。對于出現(xiàn)故障的設(shè)備，可以顯示出具體的故障類型。華龍訊達應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，在煙草行業(yè)進行了工廠運行狀態(tài)的實時模擬和遠(yuǎn)程監(jiān)控實踐，中煙集團在北京就可以實現(xiàn)對分布在各地的工廠進行遠(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)機器人、自動化設(shè)備、PLC和傳感器等設(shè)備。在現(xiàn)場調(diào)試之前，可以直接在虛擬環(huán)境下，對生產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型進行機械運動、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際生產(chǎn)線；可隨時切換到虛擬環(huán)境，分析、修正和驗證正在運行的生產(chǎn)線上的問題，避免長時間且昂貴的生產(chǎn)停頓。
虛擬調(diào)試技術(shù)對企業(yè)的價值體現(xiàn)在：早期驗證優(yōu)化研發(fā)+工藝+制造的可行性，減少物理樣機投入成本；減少去用戶現(xiàn)場做機器人調(diào)試時間和出錯率，節(jié)約出差成本；虛實融合后為整個工廠的數(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)，實現(xiàn)工廠的數(shù)字孿生。
Maplesoft公司的MapleSim平臺提供了一體化的生產(chǎn)線虛擬調(diào)試解決方案。2019年，羅克韋爾自動化公司并購了Emulate3D軟件，作為羅克韋爾Factorytalk/DesignSuite軟件的一部分，可以實現(xiàn)對整個工廠自動化控制系統(tǒng)進行虛擬仿真和虛擬調(diào)試，還可以利用工廠的數(shù)字孿生模型對員工進行培訓(xùn)，降低工廠運營的風(fēng)險。
△ Emulate3D和MapleSim虛擬調(diào)試平臺
美的集團旗下的美云智數(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多個機器人組件，內(nèi)置KUKA、ABB、安川、川崎等各主流機器人協(xié)議；可以通過圖形示教，可以快速進行機器人姿態(tài)設(shè)計、運動路徑干涉檢查和姿態(tài)合理性分析；支持機器人姿態(tài)和軌跡的離線編程與虛擬調(diào)試，與現(xiàn)場設(shè)備的實時聯(lián)機；支持噴涂、焊接等機器人動作示教、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 機電軟一體化復(fù)雜產(chǎn)品研發(fā)。
對于高度復(fù)雜的機電軟一體化產(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。運用數(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行單物理場仿真和多場耦合仿真，對產(chǎn)品進行設(shè)計優(yōu)化、確認(rèn)和驗證，還可以構(gòu)建精確的綜合仿真模型來分析實際產(chǎn)品的性能，實現(xiàn)持續(xù)創(chuàng)新。通過結(jié)合創(chuàng)成設(shè)計技術(shù)(Generative Design)、增材制造技術(shù)、半實物仿真技術(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)計階段開始推進航空發(fā)動機的數(shù)字孿生應(yīng)用，更容易地將設(shè)計和結(jié)構(gòu)模型與運行數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，同時，還有助于優(yōu)化設(shè)計，提高生產(chǎn)效率。精航偉泰測控儀器（北京）有限公司提供了基于模型的衛(wèi)星數(shù)字孿生設(shè)計解決方案，可以****程度地將驗證后的設(shè)計模型自動轉(zhuǎn)化為衛(wèi)星的物理實現(xiàn)，例如可以根據(jù)相關(guān)設(shè)計模型自動生成星載軟件的代碼。
⑤ 數(shù)字營銷。
對于尚未上市的新產(chǎn)品，通過發(fā)布其概念階段的數(shù)字孿生模型，讓消費者選擇更喜歡的設(shè)計方案，然后再進行詳細(xì)設(shè)計和制造，這樣有助于企業(yè)提升銷售業(yè)績。同時，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)實現(xiàn)產(chǎn)品的在線選配，實現(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)字孿生對制造企業(yè)的應(yīng)用價值
IDC在2018年5月發(fā)表的《數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)》報告中指出，到 2020 年底，65%的制造企業(yè)將利用數(shù)字孿生運營產(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)字孿生對制造企業(yè)的價值
IDC《數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)》報告
產(chǎn)品數(shù)字孿生應(yīng)用的價值是通過虛實融合、虛實映射，持續(xù)改進產(chǎn)品的性能、為客戶提供更好的體驗，提高產(chǎn)品運行的安全性、可靠性、穩(wěn)定性，提升產(chǎn)品運行的“健康度”，在此基礎(chǔ)上提升產(chǎn)品在市場上的競爭力。同時，通過對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝等各方面的改進，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)用的價值主要體現(xiàn)在構(gòu)建透明工廠，提升工廠的運營管理水平，提高整體OEE，降低能耗，促進安全生產(chǎn)等方面。要真正實現(xiàn)工廠數(shù)字孿生應(yīng)用的價值，需要裝備用戶企業(yè)和裝備制造企業(yè)進行深層次的合作。
GE公司對數(shù)字孿生的應(yīng)用價值給出了一段經(jīng)典描述：數(shù)字孿生通過海量的設(shè)計、制造、檢測、維修、在線傳感器及運營數(shù)據(jù)來建立和獲取信息，運用一系列高保真的計算的和基于物理實體的模型，以及高級分析方法來預(yù)測資產(chǎn)設(shè)備在其全生命周期的健康和績效。數(shù)字孿生模型的準(zhǔn)確程度隨著時間推移，通過更多數(shù)據(jù)來對模型進行精煉，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，預(yù)測對各種可能場景的應(yīng)對情況，并作為實時參照來構(gòu)建各種應(yīng)用系統(tǒng)，以實現(xiàn)優(yōu)化各類服務(wù)，提高績效和效率，改善運維、供應(yīng)鏈和業(yè)務(wù)運營等業(yè)務(wù)價值。[8]
數(shù)字孿生技術(shù)最早的倡導(dǎo)者之一，NASA國家先進制造中心主任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、測試和生產(chǎn)所需設(shè)備。只有當(dāng)它滿足我們的需求時，才進行實體生產(chǎn)。然后，又將實體生產(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實體產(chǎn)品進行檢測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)勢是通過結(jié)合從設(shè)計到實時采集設(shè)備的數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，來對設(shè)備在全生命周期進行優(yōu)化。不僅可以降低原型設(shè)計或制造的成本，而且可以通過將實時數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)字孿生模型進行分析，從而預(yù)測故障，降低維護成本，減少停機時間。
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、達索系統(tǒng)、PTC、ANSYS、羅克韋爾自動化、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、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)計工具、虛擬仿真、制造運營管理到工業(yè)自動化、物聯(lián)網(wǎng)平臺等關(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，先后并購整合了質(zhì)量管理、生產(chǎn)計劃排程、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)的要求仿真和驗證產(chǎn)品屬性：例如評估產(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試和優(yōu)化。
生產(chǎn)數(shù)字孿生：它涉及從工廠的機器、設(shè)備、傳感器等整個生產(chǎn)環(huán)境的各個方面。通過在虛擬環(huán)境中仿真和調(diào)試，在實際操作開始之前，就可以識別錯誤和防止故障。
性能數(shù)字孿生：不斷地從產(chǎn)品或生產(chǎn)線獲得運行數(shù)據(jù)。這樣可以持續(xù)監(jiān)控來自機器的狀態(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)測性維護維修，以防止停機并優(yōu)化能耗。
ANSYS Twin Builder是一款針對數(shù)字孿生的產(chǎn)品軟件包，能幫助工程師快速構(gòu)建、驗證和部署物理產(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，并且包含運行時部署功能，從而能夠在運行過程中持續(xù)監(jiān)控所用的每臺資產(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，確定理想的維護程序，優(yōu)化每個資產(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)計更出色產(chǎn)品和降低物理測試成本的利器，通過打造數(shù)字孿生，仿真技術(shù)的應(yīng)用擴展到各個運營領(lǐng)域，涵蓋產(chǎn)品的健康管理、遠(yuǎn)程診斷、智能維護和共享服務(wù)等應(yīng)用。
PTC對于數(shù)字孿生（數(shù)字映射）的認(rèn)知更強調(diào)數(shù)字世界與現(xiàn)實世界的聯(lián)系。PTC的數(shù)字孿生涵蓋產(chǎn)品設(shè)計、制造、使用，再將使用數(shù)據(jù)回傳進行監(jiān)測分析，使得現(xiàn)實世界與數(shù)字世界之間的數(shù)據(jù)傳遞形成完整回路，加強現(xiàn)實世界與數(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)，以增強數(shù)字主線。同時PTC的物聯(lián)網(wǎng)平臺ThingWorx和增強現(xiàn)實平臺Vuforia等創(chuàng)造的數(shù)據(jù)，可以進一步發(fā)掘數(shù)字孿生應(yīng)用的價值。
PTC還與羅克韋爾、Ansys等建立了合作關(guān)系。PTC的ThingWorx、Vuforia與羅克韋爾自動化的MES、FactoryTalk Analytics 以及 Industrial Automation 平臺，可以簡化企業(yè)的連接方式，實現(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⌒袆拥男滦椭悄苄畔ⅰ?/p>
達索系統(tǒng)的數(shù)字孿生實現(xiàn)主要依托3DEXPERIENCE平臺，將企業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)、驗證、生產(chǎn)、銷售、運營全流程與企業(yè)項目管理流程整合，實現(xiàn)虛實融合與交互。3DEXPERIENCE平臺將相關(guān)技術(shù)和功能集成到一個統(tǒng)一的數(shù)字化創(chuàng)新環(huán)境中，創(chuàng)建數(shù)字孿生，從整個生態(tài)系統(tǒng)獲取洞察力和專業(yè)知識，從而測量、評估和預(yù)測工業(yè)資產(chǎn)的表現(xiàn)，并以智能方式幫助企業(yè)優(yōu)化自身運營。
達索系統(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)字化解決方案和達索系統(tǒng)3DEXPERIENCE平臺的優(yōu)勢，共同為客戶提供先進的數(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)性運行。
Altair作為全球仿真技術(shù)領(lǐng)先廠商之一，近年來進行一系列相關(guān)并購，制定了相應(yīng)的數(shù)字孿生戰(zhàn)略。Altair數(shù)字孿生集成平臺融合了物理和數(shù)據(jù)驅(qū)動的映射，以支持整個產(chǎn)品生命周期的優(yōu)化。基于Altair Activate，結(jié)合硬件在環(huán)和物聯(lián)網(wǎng)功能，進行多學(xué)科系統(tǒng)建模，實現(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)字孿生概念的機電一體化仿真與實物實驗平臺相結(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年漢諾威工博會上發(fā)布數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)（Networks of Digital Twins），將制造商和運營商在產(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)字世界中打造一個完整的數(shù)字化映射，實現(xiàn)了實時的工程和研發(fā)。在產(chǎn)品的使用階段，SAP數(shù)字孿生系統(tǒng)采集設(shè)備的運行狀況，進行分析，得出產(chǎn)品的實際性能，再與需求設(shè)計的目標(biāo)比較，形成產(chǎn)品研發(fā)的閉環(huán)體系。這樣的一個閉環(huán)體系，對于產(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集團提出了混合孿生概念，可以對服務(wù)中的產(chǎn)品進行數(shù)值模擬，并得出可靠的預(yù)測性維護方案。Hybrid Twin混合孿生模型的使用豐富了真實數(shù)據(jù)的虛擬樣機并利用AI和機器學(xué)習(xí)使更準(zhǔn)確的預(yù)測變得可行和實用。Hybrid Twin監(jiān)控系統(tǒng)實時變化，可準(zhǔn)確預(yù)測各個產(chǎn)品特定行為的幾率。通過構(gòu)建Hybrid Twin混合孿生模型，ESI集團幫助風(fēng)電場的維護和監(jiān)控成本平均降低了30％。
Unity基于自身實時3D技術(shù)和人機交互引擎，圍繞數(shù)字孿生技術(shù)體系提供實時3D開發(fā)工具；同時面向特定應(yīng)用場景，與合作伙伴共同推出完整解決方案。在Unity平臺上，開發(fā)者可以完成從輔助產(chǎn)品設(shè)計、制造到最終產(chǎn)品上市的全生命周期，實現(xiàn)全流程的數(shù)字化。
微軟Azure將數(shù)字孿生作為一項 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，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)，可提供多范疇的對應(yīng)服務(wù)，其中包括概念創(chuàng)新、施工、檢修、災(zāi)后重建、運營創(chuàng)新等服務(wù)。它可幫助持續(xù)審查項目狀態(tài)，且可向前或向后查詢變更分類時間線上的任何請求的項目狀態(tài)，并實現(xiàn)任何項目時間線狀態(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)于不同項目階段的任務(wù)，會遇到來自不同廠商、不同軟件所創(chuàng)造的數(shù)據(jù)。打開和識別一個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，直接對所有不同數(shù)據(jù)源的信息進行了解。
Maplesoft提供用于虛擬調(diào)試的數(shù)字孿生解決方案。通過數(shù)字孿生實現(xiàn)基于仿真的電機選型、PLC代碼測試、離線和在線仿真等，消除設(shè)備設(shè)計中的猜測。
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)備實時狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)、攝像監(jiān)控技術(shù)等，實現(xiàn)三維數(shù)字孿生工廠的整體管理。三維數(shù)字孿生工廠平臺將車間三維高精度模型、工藝流程、設(shè)備屬性、設(shè)備實時數(shù)據(jù)，以及工廠運營管理數(shù)據(jù)等進行融合，直觀地展示生產(chǎn)車間的工藝流程，實現(xiàn)車間生產(chǎn)的遠(yuǎn)程控制管理，提高車間的運營管理效率。同時為客戶提供完整的、高附加值的產(chǎn)品解決方案，實現(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)動的多維度數(shù)字樣機、復(fù)雜虛擬裝配、復(fù)雜人機工效、多用途虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、數(shù)據(jù)質(zhì)量管理和輕量化技術(shù)、高性能計算云計算、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)實平臺軟硬件支持下，華力創(chuàng)通提供物理信息驅(qū)動下的實景三維工廠的虛擬現(xiàn)實人機交互體驗系統(tǒng)，通過全三維數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的疊加，實現(xiàn)基于虛擬現(xiàn)實增強現(xiàn)實的工廠數(shù)字孿生項目的落地。
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，在美的集團等企業(yè)應(yīng)用，取得顯著效果。數(shù)字孿生工廠應(yīng)用實現(xiàn)了設(shè)備聯(lián)機、虛實結(jié)合、真實互動、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，通過對設(shè)備實時狀態(tài)、檢測和維護數(shù)據(jù)的智能分析，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、預(yù)測性維護、生產(chǎn)效率分析、質(zhì)量溯源和預(yù)測等多種智能應(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，實時展示數(shù)字孿生三維場景與IoT動態(tài)數(shù)據(jù)，并通過自然互動方式完成對場景中虛擬設(shè)備的多視角仿真操控；結(jié)合真實工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境與設(shè)備，完成虛實融合的互動操作流程引導(dǎo)，實現(xiàn)了新一代交互式電子指導(dǎo)手冊；全程錄制面向數(shù)字孿生三維場景的仿真操作流程，并作為資源共享給其他工作人員在同一三維場景中進行可視化回放，用于特定任務(wù)的仿真驗證與培訓(xùn)。
華龍迅達基于騰訊云推出木星數(shù)字孿生平臺，基于物理模型、傳感器、運行歷史等數(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，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實體裝備的全生命周期過程數(shù)字將工廠物理空間的控制、運行、質(zhì)量、物耗、能耗等數(shù)據(jù)在虛擬空間中建立實時鏡像進行虛擬制造仿真，并將仿真結(jié)果作用于物理空間現(xiàn)場，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)計驗證平臺。
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數(shù)字孿生的推進策略
e-works認(rèn)為，數(shù)字孿生是制造業(yè)推進數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能制造的戰(zhàn)略舉措和現(xiàn)實途徑之一。對于制造企業(yè)而言，推進數(shù)字孿生應(yīng)用需要建立明確的目標(biāo)，以價值為導(dǎo)向，建立跨部門的推進組織，結(jié)合IT、自動化、研發(fā)、仿真、工藝、測試、設(shè)備運維等部門的團隊，并引入專業(yè)咨詢機構(gòu)，務(wù)實推進。
數(shù)字孿生應(yīng)用是IT/OT融合的典型應(yīng)用，要實現(xiàn)虛實映射，需要搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，明確應(yīng)用對象的重點是企業(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)用重點是支持產(chǎn)品研發(fā)、市場推廣還是運營維護；面向工廠的數(shù)字孿生應(yīng)用重點是工廠或產(chǎn)線建設(shè)期間的虛擬調(diào)試，還是工廠運營階段的可視化與優(yōu)化。同時，企業(yè)需要建立全三維設(shè)計、仿真驅(qū)動設(shè)計的技術(shù)基礎(chǔ)和組織體系。推進數(shù)字孿生需要制定整體規(guī)劃，但結(jié)合具體目標(biāo)，分步實施，不能搞“大而全”的應(yīng)用。推進數(shù)字孿生應(yīng)用必須合理把控風(fēng)險。
埃森哲《數(shù)字孿生：打造生力產(chǎn)品，重塑客戶體驗》白皮書提出了推進數(shù)字孿生應(yīng)用的四個階段。
△ 埃森哲：推進數(shù)字孿生應(yīng)用的四個階段
在數(shù)字孿生的實際應(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”。因為保真度的提升意味著構(gòu)建數(shù)字孿生模型的難度和成本的大幅度提升，同時，對數(shù)字孿生模型進行分析的復(fù)雜性和耗時也會迅速攀升。數(shù)字孿生模型越復(fù)雜，也就越難以實現(xiàn)虛實映射的實時性。在實際應(yīng)用當(dāng)中，對所有零部件的多物理場都進行復(fù)雜的三維仿真耗時很長，往往會進行降階處理，通過一維仿真對產(chǎn)品的整體性能進行分析。因此，企業(yè)需要根據(jù)實際應(yīng)用需求和性能價格比來選擇構(gòu)建不同保真度的數(shù)字孿生模型。
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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)字孿生的討論和爭論很多，這有利于制造企業(yè)正確理解和推進數(shù)字孿生的應(yīng)用。e-works認(rèn)為，數(shù)字孿生是一個既具有前瞻性，又易于被各界理解的創(chuàng)新理念，數(shù)字孿生這個術(shù)語本身的“生命周期”會很長，而不是短期流行的時髦詞匯(Buzzword)。數(shù)字孿生理念經(jīng)過概念炒作階段之后，會逐漸走向務(wù)實推進的階段。
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，我國制造企業(yè)真正開展的實際應(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”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”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，對正在服役的裝備進行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并利用工業(yè)大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)進行預(yù)測性維護。那么，通過數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)虛實融合，可以進一步通過對這些裝備運行過程的實時仿真和優(yōu)化，提升設(shè)備運行績效，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)，實現(xiàn)工廠的可視化、透明化。那么，通過數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)虛實映射，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)的實時狀態(tài)，從而提升工廠的運行績效，避免設(shè)備非計劃性停機。因此，數(shù)字孿生應(yīng)用給制造企業(yè)帶來的價值是實實在在的。
e-works建議，制造企業(yè)應(yīng)當(dāng)組織針對數(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)特點和實際需求，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，長路漫漫，但路就在腳下！從數(shù)字孿生應(yīng)用中獲益的機會，屬于有準(zhǔn)備的企業(yè)！