數(shù)字孿生是智能制造的核心技術(shù)之一

《中國制造2025》中明確提出：“智能制造是新一輪科技革命的核心，也是制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的主攻方向”，數(shù)字孿生是智能制造的核心技術(shù)之一?！?/span>

一、定義

數(shù)字孿生（Digital Twin），可以理解為現(xiàn)實(shí)物理世界的數(shù)字化映射。即指針對物理世界中的物體，通過數(shù)字化的手段在虛擬數(shù)字世界中構(gòu)建一個(gè)一模一樣的實(shí)體，借此來實(shí)現(xiàn)對物理實(shí)體的了解、分析和優(yōu)化，以便在虛擬數(shù)字化模型中更高效、更低成本地解決現(xiàn)實(shí)應(yīng)用問題。

2002年,美國教授邁克爾·格里夫（Michael Grieves）在密歇根大學(xué)和國家宇航局的講座上，首次明確提出了數(shù)字孿生的概念。該概念包含了數(shù)字孿生技術(shù)概念的全部要素，即現(xiàn)實(shí)空間、虛擬空間、由現(xiàn)實(shí)空間向虛擬空間傳遞的數(shù)據(jù)、由虛擬空間向現(xiàn)實(shí)空間傳遞的信息，通過在虛擬空間建立與現(xiàn)實(shí)空間的物理實(shí)體之間的數(shù)字化動(dòng)態(tài)映射關(guān)聯(lián)，來解決實(shí)體系統(tǒng)的預(yù)測性優(yōu)化問題。

2012年，NASA給出了數(shù)字孿生的概念描述：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實(shí)體產(chǎn)品的鏡像，反映了相對應(yīng)物理實(shí)體產(chǎn)品的全生命周期過程。

2014年開始，數(shù)字孿生開始進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段，西門子、達(dá)索、PTC、ESI、ANSYS等國際制造產(chǎn)業(yè)巨頭紛紛推出基于該技術(shù)的數(shù)字化解決方案，并對數(shù)字孿生概念的定義逐步完善。

其中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造服務(wù)等軟件系統(tǒng)供應(yīng)商PTC提出，數(shù)字孿生從單體講是物理資產(chǎn)、流程工藝以及人員的三種抽象對象的虛擬表示，可用來理解和預(yù)測其物理對象。數(shù)字孿生有三個(gè)重要的組成部分：一是對其物理實(shí)體本身的數(shù)字化定義；二是對其物理實(shí)體操作和體驗(yàn)的數(shù)據(jù)記錄；三是信息化模型，比如人機(jī)交互界面等等的可視化。數(shù)字孿生的價(jià)值就是將這三個(gè)要素關(guān)聯(lián)呈現(xiàn)和分析，以推動(dòng)判斷、預(yù)測等決策的制定。

從上述定義看，數(shù)字孿生模型的數(shù)字化定義、實(shí)體數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)感知和動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)、基于數(shù)據(jù)和模型的行為仿真分析，是數(shù)字孿生技術(shù)保證孿生對象與實(shí)體對象同步運(yùn)行的三個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

二、優(yōu)勢

數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用場景前景極其廣闊，在產(chǎn)品研發(fā)、工藝規(guī)劃、生產(chǎn)制造、出廠測試、運(yùn)維服務(wù)等各生命周期場景均可帶來高價(jià)值的應(yīng)用優(yōu)勢。

1、優(yōu)化產(chǎn)品研發(fā)

在工業(yè)設(shè)備的設(shè)計(jì)階段，產(chǎn)品存在于現(xiàn)實(shí)世界之前就可建立該產(chǎn)品的數(shù)字孿生仿真模型，并對其制造和運(yùn)行過程進(jìn)行模擬仿真測試，快速創(chuàng)建大量性能結(jié)果數(shù)據(jù)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中可能存在的潛在缺陷。降低產(chǎn)品研發(fā)成本、提高產(chǎn)品研發(fā)質(zhì)量及效率、縮短產(chǎn)品投放市場的周期。

2、提高生產(chǎn)效率

在工業(yè)設(shè)備的制造階段，可通過設(shè)備的數(shù)字孿生模型對生產(chǎn)制造流程進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線上的設(shè)備數(shù)字孿生體進(jìn)行實(shí)時(shí)更新，及時(shí)掌握生產(chǎn)線狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品制造過程的精細(xì)化管控。同時(shí)，結(jié)合智能云平臺以及動(dòng)態(tài)貝葉斯、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線、制造單元、生產(chǎn)進(jìn)度、物流、質(zhì)量等實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化與調(diào)整，提高生產(chǎn)效率，降低故障發(fā)生率。

3、降低維護(hù)成本

在工業(yè)設(shè)備的運(yùn)維階段，可通過設(shè)備數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，并應(yīng)用算法模型對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，預(yù)測出最合適的維護(hù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，制定準(zhǔn)確的預(yù)測性維護(hù)計(jì)劃，避免故障惡化或過度維修，降低維護(hù)成本。

4、實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控

數(shù)字孿生技術(shù)通過在實(shí)體設(shè)備上搭建物聯(lián)傳感器，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生設(shè)備與實(shí)體設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)之間的高度實(shí)時(shí)同步。數(shù)字空間可以將設(shè)備各階段的屬性參數(shù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)收集起來，并通過機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等技術(shù)實(shí)現(xiàn)原本無法檢測的狀態(tài)維度的測量，例如設(shè)備健康程度、軸承磨損程度、潤滑程度等，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的狀態(tài)監(jiān)測。

5、智能分析預(yù)測

工業(yè)設(shè)備數(shù)字孿生體的創(chuàng)建，可以將原本分散或隱藏在物理實(shí)體、流程工藝、人員之間的信息整合起來，以設(shè)備為中心進(jìn)行分析。通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及人工智能等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、管理和建模分析,并據(jù)此做出對產(chǎn)品歷史故障的診斷、當(dāng)前狀態(tài)的評價(jià)以及未來發(fā)展趨勢的預(yù)測，進(jìn)而將分析結(jié)果和各種可能性提供給決策者，全方位地支持管理決策。

6、人工經(jīng)驗(yàn)數(shù)字化

設(shè)備數(shù)字孿生系統(tǒng)的搭建，涉及到數(shù)字孿生模型的數(shù)字化定義、實(shí)體數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)感知和動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)、基于數(shù)據(jù)和模型的行為仿真分析，在場景上涵蓋了設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)維等多個(gè)環(huán)節(jié)，此過程中必然存在人工經(jīng)驗(yàn)這樣模糊的分析決策機(jī)制。利用數(shù)字化、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能等前沿技術(shù)，將上述的人工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成數(shù)字化算法模型，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)化和可復(fù)制性。

三、關(guān)鍵技術(shù)

自2002年Grieves教授提出“數(shù)字孿生”概念后，因當(dāng)時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)受限，數(shù)字孿生在早期僅作為一種顛覆性的概念。在隨后的發(fā)展探索中，多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破性發(fā)展為數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展帶來了新契機(jī)。

數(shù)字孿生模型的數(shù)字化定義、實(shí)體數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)感知和動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)、基于數(shù)據(jù)和模型的行為仿真分析，是數(shù)字孿生技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)，而其中的關(guān)鍵技術(shù)則在于高精度模擬仿真、多物理量物聯(lián)傳感、智能化數(shù)據(jù)分析。

1、高精度的模擬仿真技術(shù)

工業(yè)設(shè)備的模擬仿真技術(shù)將“數(shù)化”過程建立的模型與物理機(jī)理相結(jié)合，包括材料性質(zhì)、理論規(guī)律、工程規(guī)律等，根據(jù)完整、實(shí)時(shí)的邊界條件和物理狀態(tài)，來計(jì)算和預(yù)測數(shù)字模型的下一步狀態(tài)。

模擬仿真可采用算法程序或CAE工具軟件來實(shí)現(xiàn)，一般可將仿真劃分為物理場仿真和系統(tǒng)仿真。針對工業(yè)常見的仿真模型包括計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型、熱力學(xué)模型、應(yīng)力分析模型、疲勞損傷模型以及材料狀態(tài)演化模型等。

數(shù)字孿生體如果要建立與實(shí)體設(shè)備高度同步的關(guān)聯(lián)關(guān)系，對仿真技術(shù)的實(shí)時(shí)性提出了很高的要求。傳統(tǒng)的仿真過程需要制定復(fù)雜和明確的初始條件和邊界條件，然后預(yù)測給定時(shí)間后的設(shè)備運(yùn)行狀況，但數(shù)字孿生則要求仿真模型能基于實(shí)時(shí)變化的工況條件，實(shí)現(xiàn)當(dāng)時(shí)或未來一段時(shí)間后的運(yùn)行狀態(tài)。因此，如何實(shí)現(xiàn)高精度的快速仿真模擬是保證數(shù)字孿生體與物理實(shí)體高實(shí)時(shí)性同步的關(guān)鍵技術(shù)。

2、多物理量的物聯(lián)傳感技術(shù)

實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備數(shù)字孿生體運(yùn)行狀態(tài)感知的基礎(chǔ)是盡量獲取到實(shí)體設(shè)備的多種物理量測量數(shù)據(jù)，如振動(dòng)、溫度、轉(zhuǎn)速、磁場強(qiáng)度、流量、壓力、電流、電壓等。目前，隨著物聯(lián)傳感技術(shù)的極速發(fā)展，設(shè)備數(shù)據(jù)采集的物理量維度得到了有效的解決。其中，大量無損檢測技術(shù)的研發(fā)，也大大降低了工業(yè)設(shè)備數(shù)字孿生體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的搭建難度，促進(jìn)了數(shù)字孿生的推廣應(yīng)用。

除了不同物理量的維度外，隨著數(shù)字孿生模型應(yīng)用的發(fā)展，也對物聯(lián)傳感器技術(shù)提出了新的要求，比如數(shù)據(jù)采集的高實(shí)時(shí)性、傳感器的靈敏度、數(shù)據(jù)采集的精度等性能要求。例如，若期望對設(shè)備的早期故障狀態(tài)進(jìn)行診斷分析，可通過對其高頻率響應(yīng)的高頻振動(dòng)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行振動(dòng)分析，對振動(dòng)傳感器的性能指標(biāo)要求較高。另外，智能邊緣計(jì)算技術(shù)與物聯(lián)傳感技術(shù)的融合，也為提高傳感數(shù)據(jù)監(jiān)測的實(shí)時(shí)性提供了新的可行手段。

3、智能化的數(shù)據(jù)分析技術(shù)

基于采集數(shù)據(jù)和算法模型的仿真分析，是工業(yè)設(shè)備數(shù)字孿生模型與實(shí)體設(shè)備保持狀態(tài)同步的關(guān)鍵。大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能的前沿?cái)?shù)據(jù)分析技術(shù)，是構(gòu)建智能化數(shù)字孿生模型的關(guān)鍵技術(shù)。

實(shí)體設(shè)備在運(yùn)行過程中充滿著各種隨機(jī)性和不明確性，例如同一規(guī)格型號的設(shè)備在不同的工藝場地中的運(yùn)行機(jī)理、外界干擾是各不相同的。同時(shí)，也有多種物理狀態(tài)目前還無法通過直接的物理手段進(jìn)行測量。這些都要求數(shù)字孿生模型能基于不完整的信息和不明確的機(jī)理完成設(shè)備狀態(tài)的分析預(yù)測。

隨著人工智能技術(shù)的應(yīng)用，目前已可以在一定程度上保證算法模型針對此隨機(jī)場景的準(zhǔn)確度，未來，如何擴(kuò)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的應(yīng)用范圍，將更多的機(jī)理和經(jīng)驗(yàn)數(shù)字化、智能化，是業(yè)內(nèi)正持續(xù)研究探索的技術(shù)方向。

四、結(jié)語

工業(yè)設(shè)備的數(shù)字孿生技術(shù)體系涵蓋了產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、出廠檢測、安裝調(diào)試、運(yùn)維服務(wù)等全生命周期場景，并有希望在設(shè)備零部件提供商、設(shè)備制造商、設(shè)備使用用戶、設(shè)備運(yùn)維人員之間搭建起以設(shè)備為中心的數(shù)字化橋梁，打造人和萬物互聯(lián)的智能數(shù)字化世界。數(shù)字孿生技術(shù)作為推動(dòng)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、促進(jìn)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要抓手，將為企業(yè)帶來巨大價(jià)值，達(dá)到互聯(lián)智能技術(shù)出現(xiàn)前無法企及的水平。