工業(yè)數(shù)字孿生是多類數(shù)字化技術集成融合和創(chuàng)新應用，基于建模工具在數(shù)字空間構(gòu)建起精準物理對象模型，再利用實時IoT數(shù)據(jù)驅(qū)動模型運轉(zhuǎn)，進而通過數(shù)據(jù)與模型集成融合構(gòu)建起綜合決策能力，推動全業(yè)務流程閉環(huán)優(yōu)化。

《“十四五”信息化和工業(yè)化深度融合發(fā)展規(guī)劃》《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》等系列文件指出，要推動智能制造、綠色制造示范工廠建設，構(gòu)建面向工業(yè)生產(chǎn)全生命周期的數(shù)字孿生系統(tǒng)，探索形成數(shù)字孿生技術智能應用場景，并推進相關標準的制修訂工作，加大標準試驗驗證力度。中國工程院院士鄔賀銓表示，數(shù)實的“共振”將推動實體經(jīng)濟進一步數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化，實現(xiàn)更高質(zhì)量發(fā)展，目前多地已將數(shù)字孿生作為需突破的關鍵核心技術列入科技創(chuàng)新規(guī)劃中。

　　無孿生 不“智”造

　　目前業(yè)界普遍認為“數(shù)字孿生”的概念由美國密歇根大學的MichaelGrieves教授于2003年在產(chǎn)品全生命周期管理課上提出，當時也被稱為“鏡像空間模型”，通過在虛擬空間構(gòu)建的數(shù)字模型與物理實體交互映射，描述物理實體的生命周期。

　　萬物皆可數(shù)字孿生

　　數(shù)字孿生技術早期主要被應用在軍工及航空航天領域。2010年，美國國家航空航天局(NASA)在太空技術路線圖中首次引入數(shù)字孿生的概念，開展了飛行器健康管控應用。

　　2011年，美國空軍研究實驗室(AFRL)明確提出面向未來飛行器的數(shù)字孿生體規(guī)范，指出要基于飛行器的高保真仿真模型、歷史數(shù)據(jù)和實時傳感器數(shù)據(jù)構(gòu)建飛行器的完整虛擬映射，以實現(xiàn)對飛行器健康狀態(tài)、剩余壽命及任務可達性的預測。美國洛克希德·馬丁公司將數(shù)字孿生引入到F-35戰(zhàn)斗機生產(chǎn)過程中，用于改進工藝流程，提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。

　　百度百科對數(shù)字孿生(DigitalTwin)的定義是：充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生著眼點是物理設備的數(shù)字化，本質(zhì)是基于物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、模型、數(shù)據(jù)、映射、仿真多學科技術的集成應用，核心是要解決設備的全生命周期管理。

　　將這個概念進一步泛化，可以將物理世界的人、物、事件等所有要素數(shù)字化，在網(wǎng)絡空間再造一個一一對應的虛擬世界，物理世界和虛擬世界同生共存、虛實交融，萬物皆可數(shù)字孿生。

　　應用場景極為廣泛

　　“數(shù)字孿生”就是“數(shù)字的雙胞胎”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。數(shù)字孿生作為實現(xiàn)虛實之間雙向映射、動態(tài)交互、實時連接的關鍵途徑，為觀察、認識、理解、控制和改造物理世界提供了一種新的有效手段。

　　數(shù)字孿生技術的應用場景極為廣泛，包括航空航天、能源、智慧城市、工業(yè)制造等。中國科學院院士朱中梁認為，各行各業(yè)都可以應用數(shù)字孿生技術進行生態(tài)的控制、管理、監(jiān)測。其中，工業(yè)制造領域的數(shù)字孿生技術應用得較多。“我們經(jīng)常思考怎樣把物理世界反饋到數(shù)字世界，實現(xiàn)有回路反饋的全生命周期跟蹤，如果沒有數(shù)字孿生對物理生產(chǎn)體系的準確模型化的描述，所謂的智能制造就很難實現(xiàn)”。

　　德國西門子公司推出了較為完整的企業(yè)數(shù)字孿生體系，用數(shù)字孿生技術打造虛擬車間、數(shù)字工廠。

　　美國通用公司在其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺Predix上利用數(shù)字孿生技術，對飛機發(fā)動機進行實時監(jiān)控、故障檢測和預測性維護。

　　美國特斯拉公司為其生產(chǎn)的車輛配備了數(shù)字孿生模型，通過傳感器接收數(shù)據(jù)、能夠?qū)崟r更新程序。

　　工業(yè)數(shù)字孿生：時機成熟

　　什么是工業(yè)數(shù)字孿生?工業(yè)數(shù)字孿生是多類數(shù)字化技術集成融合和創(chuàng)新應用，基于建模工具在數(shù)字空間構(gòu)建起精準物理對象模型，再利用實時IoT數(shù)據(jù)驅(qū)動模型運轉(zhuǎn)，進而通過數(shù)據(jù)與模型集成融合構(gòu)建起綜合決策能力，推動全業(yè)務流程閉環(huán)優(yōu)化。

　　發(fā)展工業(yè)數(shù)字孿生，當下就是最好的時機。

“現(xiàn)在的IT環(huán)境更加成熟，硬件的算力支持實時呈現(xiàn)，軟件適配性也更強。”

“數(shù)字孿生已經(jīng)滲透到智能制造的各個階段，在不同場景都得到了有效的應用，例如裝配應用、員工培訓、產(chǎn)品測評、智能工廠建設、倉儲物流管理等，能大幅度提高生產(chǎn)、制造、裝配、設計、規(guī)劃和物料方面的管理效率，降低試錯成本。”

　　騰訊為瑞泰馬鋼打造“透明工廠”，從生產(chǎn)資料進入、訂單匹配、排產(chǎn)到生產(chǎn)管理，利用數(shù)字孿生技術幫助其生產(chǎn)效率提高12%，故障率降低25%，品質(zhì)提升10%。在低碳生產(chǎn)方面，瑞泰馬鋼的單位產(chǎn)值能耗大幅降低，萬元產(chǎn)值消耗標準煤從90千克減少到了35千克，有效實現(xiàn)了節(jié)能減排。

　　賦能產(chǎn)業(yè)智能化升級

　　數(shù)字孿生能夠幫助制造企業(yè)解決哪些問題?數(shù)字孿生主要用于產(chǎn)品設計、生產(chǎn)場景虛擬化和遠程售后服務等方面，成熟的場景應用能幫助客戶用較小的成本預知最終結(jié)果，避免較大損失。尹松舉例說：“我們的一個客戶為移動、聯(lián)通等企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品，前幾年經(jīng)常因為產(chǎn)品質(zhì)量及供應商零部件質(zhì)量問題被召回并罰款;使用了我們的方案后，避免了類似情況的發(fā)生。”

　　工業(yè)數(shù)字孿生注重將“模型+數(shù)據(jù)”作為基礎，以因推果，反饋并優(yōu)化業(yè)務和流程。“工業(yè)知識和數(shù)據(jù)是企業(yè)在長時間生產(chǎn)過程中積累的衍生資產(chǎn)，只是在積累的方式和利用的場景、價值等方面不同。數(shù)字孿生是‘模型+數(shù)據(jù)’基建，通過構(gòu)建本體模型，形成行業(yè)知識圖譜，將數(shù)據(jù)與圖譜進行映射，并不斷補充和創(chuàng)建知識，構(gòu)建具有自我迭代能力的數(shù)字孿生體，并通過與業(yè)務場景的結(jié)合，實現(xiàn)對業(yè)務和流程的反哺，完成閉環(huán)優(yōu)化。”

　　哪些企業(yè)更適合應用數(shù)字孿生技術?數(shù)字孿生可以與制造企業(yè)的哪些環(huán)節(jié)融合?“行業(yè)頭部企業(yè)以及自動化程度較高的細分行業(yè)更適合使用數(shù)字孿生技術。這些企業(yè)已基本具備設備數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)追溯能力，能夠為數(shù)字孿生本體模型提供更完備的數(shù)據(jù)支撐。”

“對于裝備制造企業(yè)，可以在產(chǎn)品設計階段使用數(shù)字孿生，實現(xiàn)產(chǎn)品參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化，降低試錯成本，縮短開發(fā)周期;對于流程型和自動化程度較高的離散型制造企業(yè)，構(gòu)建生產(chǎn)數(shù)字孿生體，通過產(chǎn)線和設備的實時數(shù)據(jù)驅(qū)動模型，進行實時仿真和優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)效率提高、質(zhì)量提升和制造成本降低。”

　　數(shù)字孿生三大發(fā)展趨勢

　　面向未來，中國工程院院士譚建榮認為，數(shù)字孿生有三大發(fā)展趨勢。

　　第一是擬實化趨勢，涉及多物理建模。產(chǎn)品數(shù)字孿生體在工業(yè)領域應用的成功程度，取決于產(chǎn)品數(shù)字孿生體的擬實化程度，研究如何將基于不同物理屬性的模型關聯(lián)在一起，是建立產(chǎn)品數(shù)字孿生體，繼而充分發(fā)揮產(chǎn)品數(shù)字孿生體模擬、診斷、預測和控制作用的關鍵。

　　第二是全生命周期化，即從產(chǎn)品設計和服務階段向產(chǎn)品制造階段延伸。現(xiàn)階段有關產(chǎn)品數(shù)字孿生體的研究主要側(cè)重于產(chǎn)品設計或售后服務階段，較少涉及產(chǎn)品制造階段，數(shù)字孿生體則將會在產(chǎn)品生產(chǎn)制造階段的研究與應用方面成為全新熱點。

　　第三是集成化、與其他先進技術融合也將成為全新的趨勢。現(xiàn)階段數(shù)字孿生體的各個環(huán)節(jié)之間仍然存在斷點，如何將數(shù)字紐帶技術作為基礎技術，并將新一代信息與通信技術、大數(shù)據(jù)分析技術、增強現(xiàn)實(AR)技術等先進技術有機融為一體，是數(shù)字孿生的下一個研究方向。

打造透明、高效、精益的智能工廠

離散制造業(yè)企業(yè)大多采用多品種、小批量的生產(chǎn)方式，具有規(guī)模化、柔性化、工藝復雜、質(zhì)量不穩(wěn)定等特點。為解決上述問題，溫州風涌智能科技有限公司設計了柔性自動化數(shù)字孿生智能工廠解決方案。“我們設計的方案解決了信息化孤島、柔性不足、供應鏈配送協(xié)同弱等問題，同時也幫助企業(yè)構(gòu)建了自動化智能工廠，推動精益制造、智能制造和‘工業(yè)4.0’理念落地。”

據(jù)介紹，該方案具有以下三個特點。

第一，提供“三化”融合的解決方案。根據(jù)離散定制化行業(yè)的特點，以“自動化、精益化、信息化”融合為戰(zhàn)略，以柔性MOM系統(tǒng)作為智能制造的大腦，進行柔性自動化智能工廠建設。

第二，構(gòu)建完整的柔性一體化低代碼MOM平臺。MOM平臺具有柔性低代碼可靈活配置、兼顧局部優(yōu)化和全局優(yōu)化、避免信息系統(tǒng)碎片化、避免多腦指揮、可快速部署實施、安全性高、掌握自主知識產(chǎn)權(quán)等優(yōu)點，成為各大型離散、定制化制造企業(yè)推動數(shù)字化、智能化、輕量化的關鍵。

第三，行業(yè)實現(xiàn)基于數(shù)字孿生的柔性自動化工廠建設。基于MOM系統(tǒng)和數(shù)字孿生技術，助力企業(yè)數(shù)字孿生柔性自動化工廠的建設。通過實時匯總、分析現(xiàn)場業(yè)務、狀態(tài)等信息，保證實物流與信息流的同步，對現(xiàn)場全部硬件做出及時、合理的調(diào)度協(xié)同，對各個業(yè)務和控制邏輯進行閉環(huán)管理，基本實現(xiàn)了無人智能工廠，完成了自動化、精益化、信息化的智能工廠建設。