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返回但是，當前業(yè)界對于數(shù)字孿生技術還存在一些模糊甚至錯誤的認識，給數(shù)字孿生技術披上了一層神秘的面紗。e-works認為，如果不能正確理解數(shù)字孿生技術的基本內(nèi)涵就囫圇吞棗地應用數(shù)字孿生技術，很可能會“走入歧途”。為此，本文希望結合工業(yè)界的應用需求與實踐，厘清對數(shù)字孿生的基本認識，引導企業(yè)正確理解和應用數(shù)字孿生技術。
關于數(shù)字孿生的內(nèi)涵
2017年，Gartner在十大新興技術的專題對數(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。通過應用實物的零部件運行和對環(huán)境做出反應的物理數(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）的結合體。推進數(shù)字孿生應用需要進行文化變革，結合設備維護專家、數(shù)據(jù)科學家和IT專家的優(yōu)勢。將設備的數(shù)字孿生模型與生產(chǎn)設施、環(huán)境，以及人、業(yè)務和流程的數(shù)字表達結合起來，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。
從2018年Gartner發(fā)布的新興技術成熟度曲線中可以看出，數(shù)字孿生已經(jīng)進入了過熱期，其建設和預期出現(xiàn)了高峰，超出其當前能力，會形成投資泡沫。
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模型的健壯性，聚焦于如何支持特定的業(yè)務成果；
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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；
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應用高級大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術來獲取新的商機；
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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對的能力。
西門子認為：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、預測和優(yōu)化產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)。[5]
陶飛教授指出：當前對數(shù)字孿生存在多種不同認識和理解，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)字孿生的認識與實踐離不開具體對象、具體應用與具體需求。從應用和解決實際需求的角度出發(fā)，實際應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。
結合學術界的研究和工業(yè)界的實踐，e-works認為，數(shù)字孿生并不是一種單元的數(shù)字化技術，而是在多種使能技術迅速發(fā)展和交叉融合基礎上，通過構建物理實體所對應的數(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策略，是企業(yè)推進數(shù)字化轉型的核心戰(zhàn)略舉措之一。
數(shù)字孿生的基本特征
例如，達索系統(tǒng)幫助新加坡構建了數(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)生和科學家研究人體構造，進行模擬試驗。在太空探索的過程中，科學家通過數(shù)字孿生模型對遠在太空的航天器，例如登陸火星的“好奇號”火星車進行遠程監(jiān)控、仿真與操控。顯然，物理實體的結構越復雜，其對應的數(shù)字孿生模型也會越復雜，實現(xiàn)數(shù)字孿生應用的難度也更大。
數(shù)字孿生的關鍵使能技術
需要強調(diào)的是，數(shù)字孿生的關鍵使能技術在數(shù)字孿生誕生之前就已經(jīng)存在。而數(shù)字孿生的應用，又促進了這些關鍵使能技術的進一步發(fā)展。
產(chǎn)品的數(shù)字孿生
和工廠的數(shù)字孿生
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，顯示設備狀態(tài)（停機、正常、預警和報警等），展示各種分析報表和圖表等。構建數(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、設備和產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型，難度很大。設備和產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型構建，有賴于廠商提供相關數(shù)據(jù)，僅僅通過立體相機拍照，通過逆向工程構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，而非仿真結果。毫無疑問，要構建數(shù)字孿生工廠，需要實現(xiàn)設備數(shù)據(jù)采集和車間聯(lián)網(wǎng)（M2M）。
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)融合應用。在推進工廠的數(shù)字孿生應用時，如果有高保真的產(chǎn)品數(shù)字孿生模型，并且在此基礎上能夠構建產(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，更加精準地對產(chǎn)品制造過程進行分析和優(yōu)化。
產(chǎn)品數(shù)字孿生模型的演進
和數(shù)字主線
CIMdata認為，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)務視角，連通設備生命周期數(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)字主線應用實踐，提出基于模型企業(yè)（MBE）“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。
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)品構思、設計、供應鏈、制造、售后服務等各個環(huán)節(jié)，乃至外部的供應商、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、預測、診斷和反饋。
數(shù)字孿生
在制造業(yè)的典型應用場景
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)字孿生技術在風電行業(yè)應用的案例。通過應用數(shù)字孿生技術，可以幫助風電企業(yè)避免非計劃性停機，實現(xiàn)預測性維護和運行控制與優(yōu)化。
對于航空發(fā)動機的數(shù)字孿生應用，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，應當對每臺航空發(fā)動機建立其對應的數(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測風險等級，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慣和對應的油耗，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)動機的設計方案。
○ 將發(fā)動機傳感器數(shù)據(jù)與性能模型結合，根據(jù)運行環(huán)境的變化和物理發(fā)動機性能的衰減，構建自適應模型，精準監(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構模型和性能模型,構建故障模型，應用于故障診斷和預測；
○ 將航空公司歷史飛行數(shù)據(jù)與性能模型結合并融合數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，構建性能預測模型，預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。
在復雜裝備的運維方面，可以通過AR技術，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，透過各種穿戴設備或移動終端進行示教。PTC提供了先進易用的AR應用平臺。
② 工廠運行狀態(tài)的實時模擬和遠程監(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)設備目前的狀態(tài)，在加工什么訂單，設備和產(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)故障的設備，可以顯示出具體的故障類型。華龍訊達應用數(shù)字孿生技術，在煙草行業(yè)進行了工廠運行狀態(tài)的實時模擬和遠程監(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程監(jiān)控。海爾、美的在工廠的數(shù)字孿生應用方面也開展了卓有成效的實踐。
③ 生產(chǎn)線虛擬調(diào)試。
應用虛擬調(diào)試技術，在虛擬調(diào)試階段，將控制設備連接到虛擬站/線；完成虛擬調(diào)試后，控制設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。
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，降低工廠運營的風險。
④ 機電軟一體化復雜產(chǎn)品研發(fā)。
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計方案，然后再進行詳細設計和制造，這樣有助于企業(yè)提升銷售業(yè)績。同時，通過構建基于數(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。
數(shù)字孿生對制造企業(yè)的應用價值
IDC在2018年5月發(fā)表的《數(shù)字孿生網(wǎng)絡》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)量缺陷成本和服務交付成本 25%。
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)勢是通過結合從設計到實時采集設備的數(shù)據(jù)等相關信息，來對設備在全生命周期進行優(yōu)化。不僅可以降低原型設計或制造的成本，而且可以通過將實時數(shù)據(jù)導入數(shù)字孿生模型進行分析，從而預測故障，降低維護成本，減少停機時間。
數(shù)字孿生的推進策略
數(shù)字孿生應用是IT/OT融合的典型應用，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，亦或是供應鏈；面向產(chǎn)品的數(shù)字孿生應用重點是支持產(chǎn)品研發(fā)、市場推廣還是運營維護；面向工廠的數(shù)字孿生應用重點是工廠或產(chǎn)線建設期間的虛擬調(diào)試，還是工廠運營階段的可視化與優(yōu)化。同時，企業(yè)需要建立全三維設計、仿真驅(qū)動設計的技術基礎和組織體系。推進數(shù)字孿生需要制定整體規(guī)劃，但結合具體目標，分步實施，不能搞“大而全”的應用。推進數(shù)字孿生應用必須合理把控風險。
在數(shù)字孿生的實際應用當中，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雜性和耗時也會迅速攀升。數(shù)字孿生模型越復雜，也就越難以實現(xiàn)虛實映射的實時性。在實際應用當中，對所有零部件的多物理場都進行復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)實際應用需求和性能價格比來選擇構建不同保真度的數(shù)字孿生模型。
數(shù)字孿生
在制造業(yè)的應用前景展望
“注：本文的第八部分主要由e-works首席記者王陽撰寫。在本文撰寫過程中，得到了李培根院士的指導，并多次向陶飛教授討教，也與趙敏、彭慧等專家進行了探討交流，在此深表感謝！
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