改編自：《智能制造實(shí)踐指南》（作者：黃培，許之穎，張荷芳）
數字孿生迅速成為熱潮，源于數字化設計、虛擬仿真和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）等關(guān)鍵使能技術(shù)的蓬勃發(fā)展與交叉融合。
數字化設計技術(shù)從早期的二維設計發(fā)展到三維建模，從三維線(xiàn)框造型進(jìn)化到三維實(shí)體造型、特征造型，產(chǎn)生了諸如直接建模、同步建模、混合建模等技術(shù)，以及面向建筑與施工行業(yè)的建筑信息模型技術(shù)（building information modeling，BIM）。三維建模技術(shù)不僅用于產(chǎn)品設計階段，并且可以實(shí)現三維工藝設計。產(chǎn)品的三維模型中不僅包括幾何信息、裝配關(guān)系，還包括PMI（產(chǎn)品制造信息，包括尺寸、公差、形位公差、粗糙度和材料規格等信息），以及利用這些信息實(shí)現MBD（基于模型的產(chǎn)品定義）。為了支持產(chǎn)品三維模型的快速瀏覽，可以從包含三維工藝特征的完整三維特征模型中，抽取出僅包括幾何信息的輕量化三維模型?；谌S造型和三維顯示技術(shù)，虛擬現實(shí)（VR）技術(shù)取得了蓬勃發(fā)展，廣泛用于汽車(chē)、飛機、工廠(chǎng)等復雜對象的虛擬體驗，包括沉浸式虛擬現實(shí)系統Cave，用于產(chǎn)品展示和市場(chǎng)推廣的三維渲染技術(shù)，以及基于視景仿真的模擬駕駛技術(shù)等。近年來(lái)又發(fā)展起來(lái)增強現實(shí)技術(shù)，其特點(diǎn)是可以將實(shí)物模型和數字化模型融合在一個(gè)可視化環(huán)境之中，從而實(shí)現傳感器數據的可視化，還可以進(jìn)行產(chǎn)品操作、裝拆及維修過(guò)程的三維可視化，實(shí)現產(chǎn)品操作培訓、維修維護等應用。
虛擬仿真技術(shù)從早期的有限元分析發(fā)展到對流場(chǎng)、熱場(chǎng)、電磁場(chǎng)等多個(gè)物理場(chǎng)的仿真，多領(lǐng)域物理建模，對振動(dòng)、碰撞、噪聲、爆炸等各種物理現象的仿真，對產(chǎn)品的運動(dòng)仿真，及材料力學(xué)、彈性力學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，對產(chǎn)品長(cháng)期使用的疲勞仿真，對整個(gè)產(chǎn)品的系統仿真，以及針對注塑、鑄造、焊接、折彎和沖壓等各種加工工藝的仿真，以及裝配仿真，幫助產(chǎn)品實(shí)現整體性能最優(yōu)的多學(xué)科仿真與優(yōu)化，針對數控加工和工業(yè)機器人的運動(dòng)仿真（其中數控仿真又可以分為僅仿真刀具軌跡，以及仿真整個(gè)工件、刀具和數控裝備的運動(dòng)），還有面向工廠(chǎng)的設備布局、產(chǎn)線(xiàn)、物流和人因工程仿真。如果從仿真的對象來(lái)區分，虛擬仿真技術(shù)可以分為產(chǎn)品性能仿真、制造工藝仿真和數字化工廠(chǎng)仿真。
在數字化設計技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)發(fā)展和集成應用的過(guò)程中，產(chǎn)生了數字原型（digital mockup，DMU）、數字樣機（digital prototyping）、虛擬樣機（virtual prototype）、全功能虛擬樣機（functional virtual prototype）等技術(shù)，主要是用于實(shí)現復雜產(chǎn)品的運動(dòng)仿真、裝配仿真和性能仿真。通過(guò)對數字樣機進(jìn)行虛擬試驗，可以減少物理樣機和物理試驗的數量，從而降低產(chǎn)品研發(fā)和試制成本，提高研發(fā)效率。
另一方面，隨著(zhù)傳感器技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，21世紀以來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)應用越來(lái)越廣。除在消費領(lǐng)域應用之外，為了支持高價(jià)值工業(yè)設備的運行監控和維修維護，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）開(kāi)始受到業(yè)界廣泛關(guān)注。IIoT采集的數據類(lèi)型和采集頻率比普通的物聯(lián)網(wǎng)應用高得多，而應用的數學(xué)模型和分析方法也比普通的物聯(lián)網(wǎng)應用復雜得多。
在學(xué)術(shù)界的研究和GE、西門(mén)子等工業(yè)巨頭的示范效應驅動(dòng)下，數字孿生技術(shù)開(kāi)始受到廣泛關(guān)注。2016年6月，在西門(mén)子工業(yè)軟件全球媒體與分析師會(huì )議上，西門(mén)子應用了數字孿生（digital twin）、數字主線(xiàn)（digital thread）等術(shù)語(yǔ)。
從數字孿生技術(shù)的發(fā)展背景可以看出，數字孿生模型是相對于其物理模型而言的?？梢韵冉底謱\生模型，應用數字孿生模型來(lái)進(jìn)行虛擬試驗，但最終還是要建立物理模型，通過(guò)對數字孿生的分析，來(lái)優(yōu)化物理模型的運行。
除了上述技術(shù)，工業(yè)大數據、人工智能等技術(shù)也是數字孿生的關(guān)鍵使能技術(shù)。
數字孿生技術(shù)在各個(gè)行業(yè)有廣泛的應用場(chǎng)景。陶飛教授團隊在《計算機集成制造系統》2018年第1期刊登的“數字孿生及其應用探索”一文中，歸納了14種應用場(chǎng)景，而后又在論文中介紹了數字孿生在航空航天、電力、汽車(chē)、石油天然氣、健康醫療、船舶航運、城市管理、智慧農業(yè)、建筑建設、安全急救、環(huán)境保護等11個(gè)領(lǐng)域，45個(gè)細分類(lèi)的應用（圖1）。
圖1 數字孿生的工業(yè)應用（來(lái)源：陶飛教授）
總體而言，數字孿生在制造業(yè)的應用前景廣闊。其中，產(chǎn)品的數字孿生應用覆蓋產(chǎn)品的研發(fā)、工藝規劃、制造、測試、運維等各個(gè)生命周期，可以幫助企業(yè)推進(jìn)數字化營(yíng)銷(xiāo)和自助式服務(wù)，有助于企業(yè)提升維護服務(wù)收入，創(chuàng )新商業(yè)模式；工廠(chǎng)數字孿生在工廠(chǎng)設計、建造，生產(chǎn)線(xiàn)調試、安裝，工廠(chǎng)運行監控、工業(yè)安全等方面都可以對企業(yè)帶來(lái)價(jià)值；數字孿生在供應鏈管理領(lǐng)域也可以應用，例如車(chē)間物流調度、運輸路徑優(yōu)化等。
數字孿生在制造業(yè)的一些典型應用如下：
1）產(chǎn)品的運行監控和智能運維
對于能夠實(shí)現智能互聯(lián)的復雜產(chǎn)品，尤其是高端智能裝備，將實(shí)時(shí)采集的裝備運行過(guò)程中的傳感器數據傳遞到其數字孿生模型進(jìn)行仿真分析，可以對裝備的健康狀態(tài)和故障征兆進(jìn)行診斷，并進(jìn)行故障預測；如果產(chǎn)品運行的工況發(fā)生改變，對于擬采取的調整措施，可以先對其數字孿生模型在仿真云平臺上進(jìn)行虛擬驗證，如果沒(méi)有問(wèn)題，再對實(shí)際產(chǎn)品的運行參數進(jìn)行調整。圖2是Ansys的數字孿生技術(shù)在風(fēng)電行業(yè)應用的案例。通過(guò)應用數字孿生技術(shù)，幫助風(fēng)電企業(yè)避免非計劃性停機，實(shí)現預測性維護和運行控制與優(yōu)化。
圖 2 Ansys在風(fēng)電行業(yè)的數字孿生應用案例
數字孿生在航空領(lǐng)域也有相應的應用，由于每臺航空發(fā)動(dòng)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，可以對每臺航空發(fā)動(dòng)機建立其對應的數字孿生模型實(shí)施監控。GE航空對于正在空中運行的航空發(fā)動(dòng)機進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，一旦出現故障隱患，可以通過(guò)對數字孿生模型的分析來(lái)預測風(fēng)險等級，及時(shí)進(jìn)行維修維護，顯著(zhù)提升了飛行安全。GE航空通過(guò)數字孿生模型記錄了每臺航空發(fā)動(dòng)機每個(gè)架次的飛行路線(xiàn)、承載量，以及不同飛行員的駕駛習慣和對應的油耗，通過(guò)分析和優(yōu)化，可以延長(cháng)發(fā)動(dòng)機的服役周期，并改進(jìn)發(fā)動(dòng)機的設計方案（圖3）。
圖3 GE航空的數字孿生應用（來(lái)源：GE官網(wǎng)）
在數字孿生應用領(lǐng)域，GE與Ansys公司開(kāi)展了戰略合作。通過(guò)數字孿生技術(shù)的應用，實(shí)現產(chǎn)品的健康管理、遠程診斷、智能維護和共享服務(wù)。通過(guò)結合傳感器數據和仿真技術(shù)，幫助客戶(hù)分析特定的工作條件并預測故障，從而節約運維成本。GE航空通過(guò)匯總設計、制造、運行、完整飛行周期的相關(guān)數據，預測航空發(fā)動(dòng)機的性能表現：①將發(fā)動(dòng)機傳感器數據與性能模型結合，根據運行環(huán)境的變化和物理發(fā)動(dòng)機性能的衰減，構建自適應模型，精準監測航空發(fā)動(dòng)機的部件和整機性能；②將發(fā)動(dòng)機歷史維修數據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；③將航空公司歷史飛行數據與性能模型結合并融合數據驅動(dòng)的方法，構建性能預測模型，預測整機性能和剩余壽命；④將局部線(xiàn)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(shí)現發(fā)動(dòng)機控制性能尋優(yōu)，使發(fā)動(dòng)機在飛行過(guò)程中發(fā)揮更好的性能。
西門(mén)子將來(lái)自智能傳感器的溫度、加速度、壓力和電磁場(chǎng)等信號和數據，以及來(lái)自數字孿生模型中的多物理場(chǎng)模型和電磁場(chǎng)仿真和溫度場(chǎng)仿真結果傳遞到Mindspere平臺，通過(guò)進(jìn)行對比和評估，來(lái)判斷產(chǎn)品的可用性、運行績(jì)效和是否需要更換備件（圖4）。
圖4 西門(mén)子的數字孿生應用案例（來(lái)源：西門(mén)子）
在復雜裝備的運維方面，可以通過(guò)增強現實(shí)技術(shù)，基于產(chǎn)品的數字孿生模型生成產(chǎn)品操作、裝配或拆卸的三維動(dòng)畫(huà)。在實(shí)物環(huán)境下，透過(guò)各種穿戴設備或移動(dòng)終端進(jìn)行示教。PTC提供了先進(jìn)易用的增強現實(shí)應用平臺。
2）工廠(chǎng)運行狀態(tài)的實(shí)時(shí)模擬和遠程監控
對于正在運行的工廠(chǎng)，通過(guò)其數字孿生模型可以實(shí)現工廠(chǎng)運行的可視化。包括生產(chǎn)設備實(shí)時(shí)的狀態(tài)、在制訂單信息、設備和產(chǎn)線(xiàn)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)。對于出現故障的設備，可以顯示出具體的故障類(lèi)型。華龍訊達應用數字孿生技術(shù)，在煙草行業(yè)進(jìn)行了工廠(chǎng)運行狀態(tài)的實(shí)時(shí)模擬和遠程監控實(shí)踐，中煙集團在北京的機構就可以對分布在各地的工廠(chǎng)實(shí)施遠程監控。海爾、美的在工廠(chǎng)的數字孿生應用方面也開(kāi)展了卓有成效的實(shí)踐。
3）生產(chǎn)線(xiàn)虛擬調試
在虛擬調試領(lǐng)域，西門(mén)子公司及上海智參、廣州明珞等合作伙伴已開(kāi)展了很多實(shí)踐。虛擬調試技術(shù)是在現場(chǎng)調試之前，基于在數字化環(huán)境中建立生產(chǎn)線(xiàn)的三維布局，包括工業(yè)機器人、自動(dòng)化設備、PLC和傳感器等設備，可以直接在虛擬環(huán)境下，對生產(chǎn)線(xiàn)的數字孿生模型進(jìn)行機械運動(dòng)、工藝仿真和電氣調試，讓設備在未安裝之前已經(jīng)完成調試。
應用虛擬調試技術(shù)，在虛擬調試階段，將控制設備連接到虛擬站/線(xiàn)；完成虛擬調試后，控制設備可以快速切換到實(shí)際生產(chǎn)線(xiàn)；通過(guò)虛擬調試可隨時(shí)切換到虛擬環(huán)境，分析、修正和驗證正在運行的生產(chǎn)線(xiàn)上的問(wèn)題，避免長(cháng)時(shí)間生產(chǎn)停頓所帶來(lái)的損失。
虛擬調試技術(shù)對企業(yè)的價(jià)值體現在：早期驗證優(yōu)化研發(fā)+工藝+制造的可行性，減少物理樣機投入成本；減少去用戶(hù)現場(chǎng)做機器人調試時(shí)間和出錯率，節約差旅成本；虛實(shí)融合后為整個(gè)工廠(chǎng)的數字孿生打好基礎，工廠(chǎng)建成之后可以與SCADA系統融合，打造基于三維模型的可視化監控系統，實(shí)現工廠(chǎng)的數字孿生。
2019年，羅克韋爾自動(dòng)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(shí)現對整個(gè)工廠(chǎng)自動(dòng)化控制系統進(jìn)行虛擬仿真和虛擬調試，還可以利用工廠(chǎng)的數字孿生模型對員工進(jìn)行培訓，降低工廠(chǎng)運營(yíng)的風(fēng)險（圖5）。
圖 5 Emulate3D和MapleSim虛擬調試平臺
美的集團旗下的美云智數的MIoT.VC系統（圖6）提供了基于數字孿生的虛擬調試解決方案。其組件庫內置1400多個(gè)機器人組件，內置庫卡、ABB、安川、川崎等各主流機器人協(xié)議；通過(guò)圖形示教，可以快速進(jìn)行機器人姿態(tài)設計、運動(dòng)路徑干涉檢查和姿態(tài)合理性分析；支持機器人姿態(tài)和軌跡的離線(xiàn)編程與虛擬調試，與現場(chǎng)設備的實(shí)時(shí)聯(lián)機；支持噴涂、焊接等機器人動(dòng)作示教、離線(xiàn)編程及虛擬調試。該系統支持OPC UA（OLE for Process Control，OPC; Unified Architecture，UA）和西門(mén)子S7兩大工業(yè)協(xié)議。
圖6 美云智數的MIOT.VC虛擬調試系統（來(lái)源：美云智數）
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