“數(shù)字化雙胞胎”絕對不僅是一個名詞標(biāo)簽，而是一種創(chuàng)新意識的體現(xiàn)。它能夠在虛擬平臺里面完成一系列流程，最終達(dá)到高效的柔性生產(chǎn)、智能生產(chǎn)，實現(xiàn)產(chǎn)品快速創(chuàng)新上市，鍛造企業(yè)持久競爭力。數(shù)字化雙胞胎為制造業(yè)帶來的這些收益與中國“十三五規(guī)劃”的目標(biāo)高度契合。
1.什么是數(shù)字化雙胞胎
數(shù)字化雙胞技術(shù)是智能工廠的虛實互聯(lián)技術(shù)，從構(gòu)想、設(shè)計、測試、仿真、生產(chǎn)線、廠房規(guī)劃等環(huán)節(jié)，可以虛擬和判斷出生產(chǎn)或規(guī)劃中所有的工藝流程，以及可能出現(xiàn)的矛盾、缺陷、不匹配，所有情況都可以用這種方式進(jìn)行事先的仿真，縮短大量方案設(shè)計及安裝調(diào)試時間，加快交付周期。數(shù)字化雙胞胎技術(shù)將帶有三維數(shù)字模型的信息可以被拓展到整個生命周期中去的影像技術(shù)，終實現(xiàn)虛擬與物理數(shù)據(jù)同步和一致，而不是要讓虛擬世界做現(xiàn)在我們已經(jīng)做到的事情，而是要發(fā)現(xiàn)潛在問題、激發(fā)創(chuàng)新思維、不斷追求優(yōu)化進(jìn)步，這才是數(shù)字化雙胞胎的目標(biāo)所在。
數(shù)字化雙胞胎技術(shù)是制造企業(yè)邁向工業(yè)4.0戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，通過將掌握產(chǎn)品信息及其生命周期過程的數(shù)字思路將所有階段(產(chǎn)品創(chuàng)意、設(shè)計、制造規(guī)劃、生產(chǎn)和使用)銜接起來，并連接到可以理解這些信息并對其做出反應(yīng)的生產(chǎn)智能設(shè)備。如下圖所說，數(shù)字化雙胞胎技術(shù)將帶有三維數(shù)字模型的信息可以被拓展到整個生命周期中去的影像技術(shù)，終實現(xiàn)虛擬與物理數(shù)據(jù)同步和一致。
從概念上來看，有幾個核心點：
一是物理世界與數(shù)字世界之間的映射；
二是動態(tài)的映射；
三是不僅僅是物理的映射，還是邏輯、行為、流程的映射；比如生產(chǎn)流程、業(yè)務(wù)流程等。
四是不單純是物理世界向數(shù)字世界的映射，而是雙向的關(guān)系，也就是說，數(shù)字世界通過計算、處理，也能下達(dá)指令、進(jìn)行計算和控制。
五是全生命周期，數(shù)字化雙胞胎體與實體的孿生體是與生共有、同生同長，任何一個實體孿生體發(fā)生的事件都應(yīng)該上傳到數(shù)字化雙胞胎體作為計算和記錄，實體孿生體在這個運行過程中的勞損，比如故障，都能夠在數(shù)字化雙胞胎體的數(shù)據(jù)里有所反映。
2.數(shù)字化雙胞胎的組成
根據(jù)德勤的觀點，數(shù)字化雙胞胎由六大部分組成：
一是傳感器：生產(chǎn)流程中的傳感器負(fù)責(zé)搜集數(shù)據(jù)、傳遞信號；
二是數(shù)據(jù)：傳感器提供的實際運營和環(huán)境數(shù)據(jù)和企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)（如物料清單、設(shè)計圖紙等）合并形成數(shù)字化雙胞胎的數(shù)據(jù)來源；
三是集成：傳感器通過集成技術(shù)（包括邊緣計算、通信接口等）實現(xiàn)物理世界和數(shù)字世界之間的數(shù)據(jù)傳輸；
四是分析：利用分析技術(shù)開展算法模擬和可視化程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析；
五是模型：基于上述數(shù)據(jù)與信息，建立物理實體和流程的數(shù)字化模型，通過模型計算物理和生產(chǎn)流程是否出現(xiàn)錯誤偏差，從而得出解決錯誤偏差的方式和行動；
六是控制器：基于模型計算的結(jié)果，通過控制器開展行動，調(diào)整和糾正錯誤。
3.虛擬調(diào)試數(shù)字化雙胞胎-虛實結(jié)合應(yīng)用
數(shù)字化工廠柔性自動化生產(chǎn)線建設(shè)投資大，周期長，自動化控制邏輯復(fù)雜，現(xiàn)場調(diào)試工作量大。按照生產(chǎn)線建設(shè)的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)問題越早，整改成本越低，因此有必要在生產(chǎn)線正式生產(chǎn)、安裝、調(diào)試之前在虛擬的環(huán)境中對生產(chǎn)線進(jìn)行模擬調(diào)試，解決生產(chǎn)線的規(guī)劃、干涉、PLC的邏輯控制等問題，在綜合加工設(shè)備、物流設(shè)備、智能工裝、控制系統(tǒng)等各種因素中全面評估生產(chǎn)線的可行性。生產(chǎn)周期長、更改成本高的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分采用虛擬環(huán)境中進(jìn)行展示和模擬，易于構(gòu)建和修改的控制部分采用由PLC搭建的物理控制系統(tǒng)實現(xiàn)，由實物PLC控制系統(tǒng)生成控制信號，虛擬環(huán)境中的機(jī)械結(jié)構(gòu)作為受控對象，模擬整個生產(chǎn)線的動作過程，從而發(fā)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的問題，在物理樣機(jī)建造前予以解決。
虛擬調(diào)試數(shù)字化雙胞胎涉及的應(yīng)用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域包括：
①產(chǎn)品研發(fā)--機(jī)電一體化產(chǎn)品：驗證產(chǎn)品功能，是否存在問題，機(jī)電匹配；
②生產(chǎn)線/生產(chǎn)工位--設(shè)備運動機(jī)構(gòu)、機(jī)器人等：干涉檢查，動作邏輯，機(jī)電匹配，機(jī)器人時間信號；
③工廠/自動化：生產(chǎn)線的邏輯控制、輸送系統(tǒng)的仿真、自動化物流系統(tǒng)的仿真。
3.數(shù)字化雙胞胎的價值
工業(yè)界有一種“工業(yè)領(lǐng)域1%的革命”的說法，即全球工業(yè)的生產(chǎn)效率提升1%，成本將減少300億。
數(shù)字化雙胞胎能在工業(yè)、交通、城市、環(huán)保等各個領(lǐng)域帶來顯著的效率提升，未來將帶來成本的極大下降。具體來說，分為如下幾個部分：
首先，數(shù)字化雙胞胎將使生產(chǎn)更便捷，創(chuàng)新速度更快，生產(chǎn)周期更短。
如前所述，數(shù)字化雙胞胎通過設(shè)計工具、仿真工具、物聯(lián)網(wǎng)等各種手段，將物理設(shè)備的各種屬性映射到虛擬空間中，形成了一個可拆解、可復(fù)制、可修改、可刪除的數(shù)字鏡像，這就提升了操作人員對物理實體的了解，比如說在現(xiàn)實中你很難對一個燃燒鍋爐復(fù)雜的內(nèi)部情況進(jìn)行了解，但數(shù)字化雙胞胎就可以使你對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、實時情況進(jìn)行了解，這樣解決了很多由于物理條件限制而無法完成的操作。
其次，數(shù)字化雙胞胎將極強的提升測量、分析和預(yù)測能力。
通過對物體傳感數(shù)據(jù)的實時了解，借助經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷念A(yù)測和分析，可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)計算和總結(jié)出一些原本無法測量的指標(biāo)，從而極大的提升對機(jī)械設(shè)備、流程的理解力以及控制和預(yù)測力。
并且，數(shù)字化雙胞胎幫助將經(jīng)驗完成數(shù)字化。
在傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計、制造和服務(wù)領(lǐng)域，經(jīng)驗往往是一種模糊而很難把握的形態(tài)，很難將其作為精準(zhǔn)判決的依據(jù)。而數(shù)字化雙胞胎的一大關(guān)鍵進(jìn)步是可以通過數(shù)字化的手段，將原先無法保存的專家經(jīng)驗進(jìn)行數(shù)字化，并提供了保存、復(fù)制、修改和轉(zhuǎn)移的能力。
總結(jié)來說，數(shù)字化雙胞胎是基于豐富的歷史和實時數(shù)據(jù)和先進(jìn)的算法模型，實現(xiàn)對對象狀態(tài)和行為高保真度的數(shù)字化表征、模擬試驗和預(yù)測。通過對物理和邏輯空間的對象實現(xiàn)深入的認(rèn)知、正確的推理、精準(zhǔn)的操作，使得設(shè)計、操作、控制、管理的效率提升。
4.數(shù)字化雙胞胎為什么現(xiàn)在產(chǎn)生，現(xiàn)在處于什么狀態(tài)
數(shù)字化雙胞胎的出現(xiàn)在于感知、網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、人工智能、控制、建模等技術(shù)在最近十年的集中爆發(fā)。尤其是傳感器和低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將物理世界的動態(tài)，通過傳感器精準(zhǔn)、實時地反饋到數(shù)字世界。數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化實現(xiàn)由實入虛，網(wǎng)絡(luò)化智能化實現(xiàn)由虛入實，通過虛實互動，持續(xù)迭代，實現(xiàn)物理世界的最佳有序運行。
目前，盡管數(shù)字化雙胞胎在全球范圍內(nèi)還處于初期階段，僅有一些大型公司在部分領(lǐng)域和環(huán)節(jié)嘗試使用數(shù)字化雙胞胎技術(shù)進(jìn)行部分設(shè)備和流程的改造。
5.數(shù)字化雙胞胎與CAD/PLM/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之間的區(qū)別
（1）與CAD的區(qū)別
CAD模型是數(shù)學(xué)模型，可以是二維的也可以是三維的；數(shù)字化雙胞胎必然是三維模型。
數(shù)字化雙胞胎和CAD很重要的一層關(guān)系就是數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，可以實現(xiàn)裝配關(guān)系數(shù)據(jù)、制造信息數(shù)據(jù)、功能性能數(shù)據(jù)、健康檢測數(shù)據(jù)、身份識別數(shù)據(jù)、實時檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)三維和數(shù)據(jù)的融合；
CAD模型往往是靜態(tài)的、不可自動化的，其作用僅限于設(shè)計階段；而數(shù)字化雙胞胎，是貫穿全生命周期，從設(shè)計到生產(chǎn)到倉儲物流等，且數(shù)據(jù)反饋和控制是互動的。
數(shù)字化雙胞胎是基于高保真的三維CAD模型，它被賦予了各種屬性和功能定義，包括材料、感知系統(tǒng)、機(jī)器運動機(jī)理等。它一般儲存在圖形數(shù)據(jù)庫，而不是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。
（2）與PLM的區(qū)別
數(shù)字化雙胞胎與PLM具有緊密關(guān)系。數(shù)字化雙胞胎可以用PLM來管理產(chǎn)品或設(shè)備的生命周期，也從PLM軟件中輸出文件。
然而PLM以前雖然叫做產(chǎn)品全生命周期的管理，但從一個產(chǎn)品的設(shè)計、制造、到服務(wù)的全過程而言，PLM顯然是沒有完成任務(wù)。它的作用，到了制造的后期，往往戛然而止了。大量在制造中發(fā)生的工程狀態(tài)更改，往往無法返回給研發(fā)設(shè)計師。
數(shù)字化雙胞胎的出現(xiàn)，由于對物理產(chǎn)品的全程（包括損耗和報廢）進(jìn)行數(shù)字化呈現(xiàn)，這使得產(chǎn)品的“全生命周期”透明化、自動化管理概念，成為貨真價實的實際方法。
（3）與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是數(shù)字化雙胞胎的孵化床。物理實體的各種數(shù)據(jù)收集、交換，都要借助于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)。它將機(jī)器、物理基礎(chǔ)設(shè)施都連接到數(shù)字化雙胞胎上，將數(shù)據(jù)的傳遞、存儲分別放到邊緣或者云端?？梢哉f，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)激活了數(shù)字化雙胞胎的生命，它天生具有的雙向通路的特征，使得數(shù)字化雙胞胎真正成為一個有生命力的模型。
數(shù)字化雙胞胎的核心是，合適的時間、合適的場景，做基于數(shù)據(jù)的、實時正確的決定。這意味著可以更好地服務(wù)客戶。數(shù)字化雙胞胎是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要場景，也是工業(yè)App的完美搭檔。
6.數(shù)字化雙胞胎的歷史與案例
數(shù)字化雙胞胎最早由密西根大學(xué)教授Grieves于2002年提出。
后來NASA將數(shù)字化雙胞胎的理念應(yīng)用在阿波羅計劃中，開發(fā)了兩種相同的太空飛行器，以反映地球上太空的狀況，進(jìn)行訓(xùn)練和飛行準(zhǔn)備。
數(shù)字化雙胞胎被Gartner評為未來最為重要的十大關(guān)鍵技術(shù)之一，Gartner認(rèn)為，到2021年，一半的大型工業(yè)公司將使用數(shù)字化雙胞胎，從而使這些組織的效率提升10%。
微軟推出了Azure Digital Twin服務(wù)，能夠創(chuàng)建任何物理環(huán)境的數(shù)字模型，包括連接它們的人員、地點、事物、關(guān)系和流程，并與物理世界保持同步。通過Azure Digital Twins，用戶可以在空間的語境中查詢數(shù)據(jù)，該服務(wù)將成為Azure IoT平臺的一部分。
阿里巴巴城市大腦則提出了“數(shù)字化雙胞胎交通”、“數(shù)字化雙胞胎城市”、“數(shù)字化雙胞胎生態(tài)”三個階段的數(shù)字化雙胞胎藍(lán)圖。
GE公司已經(jīng)擁有了120萬個數(shù)字化雙胞胎體，可以處理30萬種不同類型的設(shè)備資產(chǎn)。
總結(jié)：
目前世界范圍內(nèi)工業(yè)正面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，許多中國制造企業(yè)都面臨著相似的問題：當(dāng)?shù)土膭趧恿Τ杀静荒茉僮鳛?ldquo;中國制造”在全球市場上的優(yōu)勢標(biāo)簽,制造企業(yè)對于變革的需求更為迫切。為了在激烈的全球競爭中保持優(yōu)勢，制造企業(yè)要大化利用資源，將生產(chǎn)變得更加；為適應(yīng)不斷變化的客戶需求，制造企業(yè)必須盡可能地縮短產(chǎn)品上市時間，對市場的響應(yīng)更加快速；為滿足市場多元化的需求，制造企業(yè)還要快速實現(xiàn)各環(huán)節(jié)的靈活變動，將生產(chǎn)變得更加柔性。
作為支撐世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱，制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)的無縫融合也將促使制造企業(yè)的生產(chǎn)力和生產(chǎn)水平得到進(jìn)一步提升，這是制造業(yè)革命的關(guān)鍵所在，與此同時，引入互聯(lián)網(wǎng)及數(shù)字化技術(shù)，對“中國制造2025”、工業(yè)4.0的重大戰(zhàn)略執(zhí)行也有更多助力。作為“工業(yè)4.0”初的發(fā)起者和重要的構(gòu)建者，西門子在市場上提出“數(shù)字化雙胞胎”模型概念，即基于模型的虛擬企業(yè)和基于自動化技術(shù)的現(xiàn)實企業(yè)——西門子形象地稱之為“數(shù)字化雙胞胎”(Digital Twins)，包括“產(chǎn)品數(shù)字化雙胞胎”、“生產(chǎn)工藝流程數(shù)字化雙胞胎”和“設(shè)備數(shù)字化雙胞胎”，三個層面又高度集成為一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，并通過數(shù)字化助力企業(yè)整合橫向和縱向價值鏈，為工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)重塑和實現(xiàn)“工業(yè)4.0”構(gòu)筑了一條自下而上的切實之路。
“數(shù)字化雙胞胎”絕對不僅是一個名詞標(biāo)簽，而是一種創(chuàng)新意識的體現(xiàn)。它能夠在虛擬平臺里面完成一系列流程，最終達(dá)到高效的柔性生產(chǎn)、智能生產(chǎn)，實現(xiàn)產(chǎn)品快速創(chuàng)新上市，鍛造企業(yè)持久競爭力。數(shù)字化雙胞胎為制造業(yè)帶來的這些收益與中國“十三五規(guī)劃”的目標(biāo)高度契合。
1.什么是數(shù)字化雙胞胎
數(shù)字化雙胞技術(shù)是智能工廠的虛實互聯(lián)技術(shù)，從構(gòu)想、設(shè)計、測試、仿真、生產(chǎn)線、廠房規(guī)劃等環(huán)節(jié)，可以虛擬和判斷出生產(chǎn)或規(guī)劃中所有的工藝流程，以及可能出現(xiàn)的矛盾、缺陷、不匹配，所有情況都可以用這種方式進(jìn)行事先的仿真，縮短大量方案設(shè)計及安裝調(diào)試時間，加快交付周期。數(shù)字化雙胞胎技術(shù)將帶有三維數(shù)字模型的信息可以被拓展到整個生命周期中去的影像技術(shù)，終實現(xiàn)虛擬與物理數(shù)據(jù)同步和一致，而不是要讓虛擬世界做現(xiàn)在我們已經(jīng)做到的事情，而是要發(fā)現(xiàn)潛在問題、激發(fā)創(chuàng)新思維、不斷追求優(yōu)化進(jìn)步，這才是數(shù)字化雙胞胎的目標(biāo)所在。
