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概念
數(shù)字孿生（Digital Twin）(又稱數(shù)字雙胞胎、數(shù)字化雙胞胎等)是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力。充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能并集成多學(xué)科，數(shù)字孿生面向產(chǎn)品全生命周期，實(shí)現(xiàn)物理世界和信息世界的互聯(lián)互通，提供更加實(shí)時、高效、智能的服務(wù)。2011年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室和NASA合作提出了構(gòu)建未來飛行器的數(shù)字孿生，并定義數(shù)字孿生為一種面向飛行器或系統(tǒng)的高度集成的多物理場、多尺度、多概率的仿真模型，能夠利用物理模型、傳感器數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)等反映與該模型對應(yīng)的實(shí)體的功能、實(shí)時狀態(tài)及演變趨勢等。2015年NASA技術(shù)發(fā)展路線圖中把數(shù)字孿生技術(shù)列為關(guān)鍵技術(shù)之一。2017年10月，Gartner公司公布了將在2018年對大部分企業(yè)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響的十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢中數(shù)字孿生是其中之一，同時并列的還有人工智能基礎(chǔ)、沉浸式體驗(yàn)、區(qū)塊鏈等。2018年、2019年Gartner公司都將其列入十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢。2019年、2020年數(shù)字孿生概念得到了認(rèn)同和技術(shù)爆發(fā)，越來越多的學(xué)者研究并利用數(shù)字孿生技術(shù)解決工程實(shí)際問題。
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內(nèi)涵
數(shù)字孿生技術(shù)是一種典型的新一代數(shù)字模型技術(shù)。它是傳統(tǒng)虛擬樣機(jī)技術(shù)的延伸和發(fā)展，其它軟件/系統(tǒng)與其虛擬物直接交互，而不是實(shí)際對象，以改善實(shí)際對象的維護(hù)、升級、修復(fù)和操作。數(shù)字孿生的基本要素包括現(xiàn)實(shí)空間的實(shí)際產(chǎn)品、虛擬空間的虛擬產(chǎn)品，連接虛擬空間和現(xiàn)實(shí)空間的數(shù)據(jù)和信息。關(guān)鍵技術(shù)包括：多域模型建模技術(shù)、高性能仿真技術(shù)、集成化與自適應(yīng)模型更新系統(tǒng)、快速方案決策技術(shù)、故障預(yù)測與診斷技術(shù)、在線仿真技術(shù)等。
圖1 數(shù)字孿生模型
數(shù)字孿生借力新一代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物理世界和信息世界的互聯(lián)互通與智能化操作，是實(shí)現(xiàn)智能制造和數(shù)字化轉(zhuǎn)型的有效解決途徑。利用物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)等新一代信息與通信技術(shù)，實(shí)時采集和處理生產(chǎn)現(xiàn)場產(chǎn)生的過程數(shù)據(jù)（儀器設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、生產(chǎn)物流數(shù)據(jù)、生產(chǎn)進(jìn)度數(shù)據(jù)、生產(chǎn)人員數(shù)據(jù)等），并將這些過程數(shù)據(jù)與產(chǎn)品數(shù)字孿生體和生產(chǎn)線數(shù)字孿生體進(jìn)行關(guān)聯(lián)映射和匹配，能夠?qū)崿F(xiàn)對產(chǎn)品制造過程和制造產(chǎn)品的在線精細(xì)化管控；同時結(jié)合人工智能學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)線、制造單元、生產(chǎn)進(jìn)度、物流、質(zhì)量等全流程全要素的實(shí)時動態(tài)優(yōu)化與調(diào)整。
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應(yīng)用
在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面，針對復(fù)雜產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)，達(dá)索公司建立了基于數(shù)字孿生的3D體驗(yàn)平臺，利用用戶交互反饋的信息不斷改進(jìn)信息世界中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型，并反饋到物理實(shí)體產(chǎn)品改進(jìn)中。
在生產(chǎn)制造方面，西門子公司通過這項(xiàng)技術(shù)構(gòu)建了整合制造流程的生產(chǎn)系統(tǒng)模型，形成了基于模型的虛擬企業(yè)和基于自動化技術(shù)的企業(yè)鏡像，可以實(shí)現(xiàn)在虛擬的環(huán)境中精確模擬產(chǎn)品、環(huán)境、機(jī)器和人，能模擬出產(chǎn)品從構(gòu)思到實(shí)現(xiàn)再到應(yīng)用的整個流程中的物理特性及性能特征。該項(xiàng)技術(shù)幫助企業(yè)在實(shí)際投入生產(chǎn)之前即能在虛擬環(huán)境中仿真、優(yōu)化和測試，從而降低研發(fā)成本，提高研發(fā)效率，提升新產(chǎn)品的質(zhì)量。
在故障預(yù)測與健康管理方面，美國NASA將物理系統(tǒng)與其等效的虛擬系統(tǒng)相結(jié)合，研究了基于數(shù)字孿生的復(fù)雜系統(tǒng)故障預(yù)測與消除方法，并應(yīng)用在飛機(jī)、飛行器、運(yùn)載火箭等飛行系統(tǒng)的健康管理中。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室結(jié)構(gòu)科學(xué)中心采用數(shù)字孿生技術(shù)建立了飛行模型，并將虛擬模型數(shù)據(jù)與物理數(shù)據(jù)相結(jié)合，從而做出更精確的壽命預(yù)測。數(shù)字孿生技術(shù)還被用于建立飛機(jī)結(jié)構(gòu)的數(shù)字模型用于監(jiān)測飛機(jī)結(jié)構(gòu)的損傷以及多機(jī)器人的協(xié)同研究。
圖2 基于數(shù)字孿生的制造工廠
數(shù)字孿生技術(shù)概念提出的較早，近年來隨著信息技術(shù)的發(fā)展引起更多重視，越來越多的制造型企業(yè)將使用更成熟的數(shù)字孿生避免設(shè)備故障和運(yùn)行設(shè)備維修計(jì)劃，優(yōu)化制造的工藝流程，提高對設(shè)備故障的預(yù)測和提高運(yùn)營效率，增強(qiáng)對產(chǎn)品的開發(fā)和維護(hù)。
圖3 數(shù)字孿生在能源領(lǐng)域的應(yīng)用 圖4 數(shù)字孿生在制造領(lǐng)域的應(yīng)用
參考文獻(xiàn)
[1] 陶飛等，數(shù)字孿生及其應(yīng)用探索, 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2018年1月
[2] Michael Grieves，Digital Twin: Manufacturing Excellence through Virtual Factory Replication
[3] David Kadle?ek ，Digital Twin，IBM Cognitive IoT
