工業(yè)數(shù)字孿生是多類數(shù)字化技術(shù)集成融合和創(chuàng)新應(yīng)用，基于建模工具在數(shù)字空間構(gòu)建起精準(zhǔn)物理對(duì)象模型，再利用實(shí)時(shí)IoT數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)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(dòng)全業(yè)務(wù)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(dòng)智能制造、綠色制造示范工廠建設(shè)，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(shù)智能應(yīng)用場(chǎng)景，并推進(jìn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作，加大標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)驗(yàn)證力度。中國工程院院士鄔賀銓表示，數(shù)實(shí)的“共振”將推動(dòng)實(shí)體經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化，實(shí)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(guān)鍵核心技術(shù)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(rèn)為“數(shù)字孿生”的概念由美國密歇根大學(xué)的MichaelGrieves教授于2003年在產(chǎn)品全生命周期管理課上提出，當(dāng)時(shí)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(shí)體交互映射，描述物理實(shí)體的生命周期。

　　萬物皆可數(shù)字孿生

　　數(shù)字孿生技術(shù)早期主要被應(yīng)用在軍工及航空航天領(lǐng)域。2010年，美國國家航空航天局(NASA)在太空技術(shù)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(yīng)用。

　　2011年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)構(gòu)建飛行器的完整虛擬映射，以實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行器健康狀態(tài)、剩余壽命及任務(wù)可達(dá)性的預(yù)測(cè)。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(jī)生產(chǎn)過程中，用于改進(jìn)工藝流程，提高生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。

　　百度百科對(duì)數(shù)字孿生(DigitalTwin)的定義是：充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)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(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生著眼點(diǎn)是物理設(shè)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(xué)科技術(shù)的集成應(yīng)用，核心是要解決設(shè)備的全生命周期管理。

　　將這個(gè)概念進(jìn)一步泛化，可以將物理世界的人、物、事件等所有要素?cái)?shù)字化，在網(wǎng)絡(luò)空間再造一個(gè)一一對(duì)應(yīng)的虛擬世界，物理世界和虛擬世界同生共存、虛實(shí)交融，萬物皆可數(shù)字孿生。

　　應(yīng)用場(chǎng)景極為廣泛

　　“數(shù)字孿生”就是“數(shù)字的雙胞胎”物理實(shí)體、虛擬模型、數(shù)據(jù)、連接和服務(wù)是數(shù)字孿生的核心要素。數(shù)字孿生作為實(shí)現(xiàn)虛實(shí)之間雙向映射、動(dòng)態(tài)交互、實(shí)時(shí)連接的關(guān)鍵途徑，為觀察、認(rèn)識(shí)、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(shù)的應(yīng)用場(chǎng)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(xué)院院士朱中梁認(rèn)為，各行各業(yè)都可以應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行生態(tài)的控制、管理、監(jiān)測(cè)。其中，工業(yè)制造領(lǐng)域的數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)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(shí)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(duì)物理生產(chǎn)體系的準(zhǔn)確模型化的描述，所謂的智能制造就很難實(shí)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(shù)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(tái)Predix上利用數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障檢測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)。

　　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(shí)更新程序。

　　工業(yè)數(shù)字孿生：時(shí)機(jī)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(shù)集成融合和創(chuàng)新應(yīng)用，基于建模工具在數(shù)字空間構(gòu)建起精準(zhǔn)物理對(duì)象模型，再利用實(shí)時(shí)IoT數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)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(dòng)全業(yè)務(wù)流程閉環(huán)優(yōu)化。

　　發(fā)展工業(yè)數(shù)字孿生，當(dāng)下就是最好的時(shí)機(jī)。

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

“數(shù)字孿生已經(jīng)滲透到智能制造的各個(gè)階段，在不同場(chǎng)景都得到了有效的應(yīng)用，例如裝配應(yīng)用、員工培訓(xùn)、產(chǎn)品測(cè)評(píng)、智能工廠建設(shè)、倉儲(chǔ)物流管理等，能大幅度提高生產(chǎn)、制造、裝配、設(shè)計(jì)、規(guī)劃和物料方面的管理效率，降低試錯(cuò)成本。”

　　騰訊為瑞泰馬鋼打造“透明工廠”，從生產(chǎn)資料進(jìn)入、訂單匹配、排產(chǎn)到生產(chǎn)管理，利用數(shù)字孿生技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)煤從90千克減少到了35千克，有效實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。

　　賦能產(chǎn)業(yè)智能化升級(jí)

　　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(shè)計(jì)、生產(chǎn)場(chǎng)景虛擬化和遠(yuǎn)程售后服務(wù)等方面，成熟的場(chǎng)景應(yīng)用能幫助客戶用較小的成本預(yù)知最終結(jié)果，避免較大損失。尹松舉例說：“我們的一個(gè)客戶為移動(dòng)、聯(lián)通等企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品，前幾年經(jīng)常因?yàn)楫a(chǎn)品質(zhì)量及供應(yīng)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(chǔ)，以因推果，反饋并優(yōu)化業(yè)務(wù)和流程。“工業(yè)知識(shí)和數(shù)據(jù)是企業(yè)在長時(shí)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(chǎng)景、價(jià)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(shí)圖譜，將數(shù)據(jù)與圖譜進(jìn)行映射，并不斷補(bǔ)充和創(chuàng)建知識(shí)，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(wù)場(chǎng)景的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)和流程的反哺，完成閉環(huán)優(yōu)化。”

　　哪些企業(yè)更適合應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)?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(dòng)化程度較高的細(xì)分行業(yè)更適合使用數(shù)字孿生技術(shù)。這些企業(yè)已基本具備設(shè)備數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)追溯能力，能夠?yàn)閿?shù)字孿生本體模型提供更完備的數(shù)據(jù)支撐。”

“對(duì)于裝備制造企業(yè)，可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段使用數(shù)字孿生，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化，降低試錯(cuò)成本，縮短開發(fā)周期;對(duì)于流程型和自動(dòng)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(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型，進(jìn)行實(shí)時(shí)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(shì)

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

　　第一是擬實(shí)化趨勢(shì)，涉及多物理建模。產(chǎn)品數(shù)字孿生體在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的成功程度，取決于產(chǎn)品數(shù)字孿生體的擬實(shí)化程度，研究如何將基于不同物理屬性的模型關(guān)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(yù)測(cè)和控制作用的關(guān)鍵。

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

　　第三是集成化、與其他先進(jìn)技術(shù)融合也將成為全新的趨勢(shì)。現(xiàn)階段數(shù)字孿生體的各個(gè)環(huán)節(jié)之間仍然存在斷點(diǎn)，如何將數(shù)字紐帶技術(shù)作為基礎(chǔ)技術(shù)，并將新一代信息與通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)有機(jī)融為一體，是數(shù)字孿生的下一個(gè)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(fù)雜、質(zhì)量不穩(wěn)定等特點(diǎn)。為解決上述問題，溫州風(fēng)涌智能科技有限公司設(shè)計(jì)了柔性自動(dòng)化數(shù)字孿生智能工廠解決方案。“我們?cè)O(shè)計(jì)的方案解決了信息化孤島、柔性不足、供應(yīng)鏈配送協(xié)同弱等問題，同時(shí)也幫助企業(yè)構(gòu)建了自動(dòng)化智能工廠，推動(dòng)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(gè)特點(diǎn)。

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(diǎn)，以“自動(dòng)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(jìn)行柔性自動(dòng)化智能工廠建設(shè)。

第二，構(gòu)建完整的柔性一體化低代碼MOM平臺(tái)。MOM平臺(tái)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(shí)施、安全性高、掌握自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)等優(yōu)點(diǎn)，成為各大型離散、定制化制造企業(yè)推動(dòng)數(shù)字化、智能化、輕量化的關(guān)鍵。

第三，行業(yè)實(shí)現(xiàn)基于數(shù)字孿生的柔性自動(dòng)化工廠建設(shè)。基于MOM系統(tǒng)和數(shù)字孿生技術(shù)，助力企業(yè)數(shù)字孿生柔性自動(dòng)化工廠的建設(shè)。通過實(shí)時(shí)匯總、分析現(xiàn)場(chǎng)業(yè)務(wù)、狀態(tài)等信息，保證實(shí)物流與信息流的同步，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)全部硬件做出及時(shí)、合理的調(diào)度協(xié)同，對(duì)各個(gè)業(yè)務(wù)和控制邏輯進(jìn)行閉環(huán)管理，基本實(shí)現(xiàn)了無人智能工廠，完成了自動(dòng)化、精益化、信息化的智能工廠建設(shè)。