“數(shù)字雙胞胎”與建模仿真技術(shù)曾被稱作智能制造業(yè)的下一波浪潮，工業(yè)4.0也要求，若要虛和實的互動以及相互增強，數(shù)字化模型必須先出現(xiàn)。

什么是數(shù)字雙胞胎

“數(shù)字化雙胞胎”（Digital Twin）是指以數(shù)字化方式拷貝一個物理對象，模擬對象在現(xiàn)實環(huán)境中的行為，對產(chǎn)品、制造過程乃至整個工廠進行虛擬仿真，從而提高制造企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)、制造的生產(chǎn)效率。

所有“產(chǎn)品”最早是人類大腦里的一個模糊概念，在沒有數(shù)字化模型幫助的情況下，要打造出一件產(chǎn)品或一套生產(chǎn)流程，必然會經(jīng)歷多次迭代設計，有時候僅僅為了驗證產(chǎn)品的某一個尺寸，部件之間的裝配關系，流程的某一環(huán)節(jié)，就不得不制造出很多個中間產(chǎn)品或重新設計流程（被稱為打樣），耗費大量時間、金錢和人力。采用數(shù)字化模型的設計技術(shù)（常指CAD技術(shù)，即數(shù)字化輔助設計），就可在虛擬的三維數(shù)字空間里從無到有地創(chuàng)造出部件和產(chǎn)品以及工藝流程。在虛擬的三維空間里，可以輕松的修改部件和產(chǎn)品的每一處尺寸和裝配關系，使得產(chǎn)品幾何結(jié)構(gòu)的驗證工作、裝配可行性的驗證工作、流程的可實行性大為簡單，因此可以大幅度減少迭代過程中的物理樣機的制造次數(shù)，時間，成本。除此之外，專門的電路CAD設計技術(shù)可以根據(jù)電路以及器件的原理，在三維數(shù)字空間設計出電路，并且也可以進行虛擬的驗證和迭代設計。同樣也可以大幅度減少制造物理樣機的代價。這就是數(shù)字化模型一定會早于物理實體產(chǎn)品出現(xiàn)的原因。實際上，在最終的產(chǎn)品制造出來之前，有很多個數(shù)字化模型代表著產(chǎn)品迭代的各個階段。這些模型或者其中的一部分，仍然有可能被以后的型號或者產(chǎn)品線所采用，這也是數(shù)字化模型的一個附加好處。

建模仿真的“前世今生”

建模仿真最早來源于上世紀60年代至70年代的計算機語言編寫的數(shù)字算法，當時只是簡單的用于計算特定物理現(xiàn)象，解決設計問題；之后的二十年，隨著工作站和微機的普及以及計算能力的提高，仿真技術(shù)的應用逐漸遍及各個學科和不同層面；而且不會停留在設計階段，正在向產(chǎn)品和系統(tǒng)的全生命周期擴展，構(gòu)成與實體形影不離的“數(shù)字雙胞胎”。由于仿真能夠在產(chǎn)品生命周期提供無縫協(xié)助和優(yōu)化，將會成為制造體系的核心功能之一，未來智能工廠是基于模型的系統(tǒng)工程或基于模型的制造，軟件定義產(chǎn)品、決定企業(yè)盛衰，仿真技術(shù)制造系統(tǒng)關鍵組成部分的黃金時代才剛剛開始。Gartner預測，到2021年，全球50％的大型工業(yè)公司將使用數(shù)字雙胞胎，從而使這些組織的效率提高10％，尤其是制造業(yè)和工程行業(yè)的公司，如果想要在競爭中保持領先地位，就需要考慮實施數(shù)字雙胞胎。

制造業(yè)是目前數(shù)字雙胞胎最常用的行業(yè)，按時向客戶提供保質(zhì)保量的產(chǎn)品對制造企業(yè)至關重要，如果機器的運轉(zhuǎn)不能協(xié)同并以適當?shù)娜萘抗ぷ?，就會影響員工、生產(chǎn)、可交付性以及最終客戶的滿意度；采取實時監(jiān)控、不中斷生產(chǎn)的情況下進行測試、并且能夠在設施中收集的數(shù)百萬個數(shù)字據(jù)點獲得更多信息，數(shù)字雙胞胎使制造企業(yè)更加智能。

在德勤的一份案例研究中，一家工業(yè)制造企業(yè)決定采用數(shù)字雙胞胎方法，來解決其在現(xiàn)場遇到的問題，從而解決維護費用和客戶延遲交付。制造企業(yè)收集了設備以及正在生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，來研究裝配過程及其與產(chǎn)品質(zhì)量的關系。因此，該項目能夠識別低效率并優(yōu)化裝配流程，將返工率降低了15％至20％。

數(shù)字雙胞胎的國內(nèi)現(xiàn)狀

最早在市場上提出“數(shù)字化雙胞胎”模型概念的是西門子，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)的“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，提供工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)重塑和實現(xiàn)“工業(yè)4.0”自下而上的切實之路。

數(shù)字雙胞胎的引入國內(nèi)僅僅幾年時間，目前處于初步探索與實踐環(huán)節(jié)，距離廣泛應用還有很長的路要走；目前數(shù)字雙胞胎技術(shù)還面臨著諸多難題，主要可分為三類：一是高仿真度，高保真度的仿真建模是構(gòu)建數(shù)字雙胞胎體系的關鍵，數(shù)字雙胞胎作為物理實體在數(shù)字空間的超寫實動態(tài)模型，產(chǎn)品虛擬模型的高精度性、多物理場建模、高保真度響應模擬等是首要解決的技術(shù)難題。二是數(shù)據(jù)收集，由于數(shù)字孿生技術(shù)的應用以海量數(shù)據(jù)為基礎，并且是基于全要素、全生命周期的數(shù)據(jù)，而有關這些數(shù)據(jù)所涉及的先進傳感器技術(shù)、自適應感知、精確控制與執(zhí)行技術(shù)等難題急需攻關。三是實時監(jiān)測與健康預測技術(shù)也尚待完善，實時和預測是數(shù)字孿生的核心要素，一方面物理產(chǎn)品的數(shù)據(jù)動態(tài)實時反映在數(shù)字孿生體系中，另一方面，數(shù)字孿生基于感知的大數(shù)據(jù)進行分析決策，進而控制物理產(chǎn)品，而其中離不開相應的高實時性數(shù)據(jù)交互、高置信度仿真預測、超級計算能力等技術(shù)能力。此外，新的設計檢驗方法仍需進一步探索，使物理模式的實驗結(jié)果更準確、更接近真實的工況，為數(shù)字孿生體的推演提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

目前中國制造業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級的關鍵時期，通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合，使得中國制造競爭力得到大幅提升。未來，數(shù)字雙胞胎也可結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)處理和人工智能建模分析，實現(xiàn)對過去發(fā)生問題的診斷、當前狀態(tài)的評估以及未來趨勢的預測，并給予分析結(jié)果，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持。

責任編輯：焦旭