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數字孿生是一種全生命周期的虛擬映射技術，通過集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的數據，反映實體裝備的全生命周期過程。它是一個超越現(xiàn)實的概念，可以被視為一個或多個重要的、彼此依賴的裝備總結。數字孿生
信息鏡像模型
基本信息
| 中文名 | 數字孿生 |
| 外文名 | Digital Twin |
| 其他譯法 | 數字鏡像、數字化映射 |
| 別名 | 信息鏡像模型 |
| 相關概念 | Digital Thread |
| 意義 | 實現(xiàn)了現(xiàn)實物理系統(tǒng)向賽博空間數字化模型的反饋。 |
收起
概念介紹
圖1 數據流動與信息鏡像
數字孿生，有時候也用來指代將一個工廠的廠房及產線，在沒有建造之前，就完成數字化模型。從而在虛擬的賽博空間中對工廠進行仿真和模擬，并將真實參數傳給實際的工廠建設。而工房和產線建成之后，在日常的運維中二者繼續(xù)進行信息交互。值得注意的是：Digital Twin不是構型管理的工具，不是制成品的3D尺寸模型，不是制成品的MBD定義。
對于Digital Twin的極端需求，同時也將驅動著新材料開發(fā)，而所有可能影響到裝備工作狀態(tài)的異常，將被明確地進行考察、評估和監(jiān)控。Digital Twin正是從內嵌的綜合健康管理系統(tǒng)（IVHM）集成了傳感器數據、歷史維護數據，以及通過挖掘而產生的相關派生數據。通過對以上數據的整合，Digital Twin可以持續(xù)地預測裝備或系統(tǒng)的健康狀況、剩余使用壽命以及任務執(zhí)行成功的概率，也可以預見關鍵安全事件的系統(tǒng)響應，通過與實體的系統(tǒng)響應進行對比，揭示裝備研制中存在的未知問題。Digital Twin可能通過激活自愈的機制或者建議更改任務參數來減輕損害或進行系統(tǒng)的降級，從而提高壽命和任務執(zhí)行成功的概率。
兩者關系
圖2 數據經由Digital Thread流動
圖3 數字孿生與數字生產線
Digital Twin是一個物理產品的數字化表達，以便于我們能夠在這個數字化產品上看到實際物理產品可能發(fā)生的情況，與此相關的技術包括增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實。Digital Thread在設計與生產的過程中，仿真分析模型的參數，可以傳遞到產品定義的全三維幾何模型，再傳遞到數字化生產線加工成真實的物理產品，再通過在線的數字化檢測/測量系統(tǒng)反映到產品定義模型中，進而又反饋到仿真分析模型中。依靠Digital Thread，所有數據模型都能夠雙向溝通，因此真實物理產品的狀態(tài)和參數將通過與智能生產系統(tǒng)集成的賽博物理系統(tǒng)CPS向數字化模型反饋，致使生命周期各個環(huán)節(jié)的數字化模型保持一致，從而能夠實現(xiàn)動態(tài)、實時評估系統(tǒng)的當前及未來的功能和性能。而裝備在運行的過程中，又通過將不斷增加的傳感器、機器的聯(lián)接而收集的數據進行解釋利用，可以將后期產品生產制造和運營維護的需求融入到早期的產品設計過程中，形成設計改進的智能閉環(huán)。然而，并不是建立了全機有限元模型，就有了數字孿生，那只是問題的一個角度；必須在生產中把所有真實制造尺寸反饋回模型，再用PHM（健康預測管理）實時搜集飛機實際受力情況，反饋回模型，才有可能成為Digital Twin。
Digital Twin描述的是通過Digital Thread連接的各具體環(huán)節(jié)的模型。可以說Digital Thread是把各環(huán)節(jié)集成，再配合智能的制造系統(tǒng)、數字化測量檢驗系統(tǒng)的以及賽博物理融合系統(tǒng)的結果。通過Digital Thread集成了生命周期全過程的模型，這些模型與實際的智能制造系統(tǒng)和數字化測量檢測系統(tǒng)進一步與嵌入式的賽博物理融合系統(tǒng)(CPS)進行無縫的集成和同步，從而使我們能夠在這個數字化產品上看到實際物理產品可能發(fā)生的情況。
簡單說，Digital Thread貫穿了整個產品生命周期，尤其是從產品設計、生產、運維的無縫集成；而Digital Twin更像是智能產品的概念，它強調的是從產品運維到產品設計的回饋。
Digital Twin它是物理產品的數字化影子，通過與外界傳感器的集成，反映對象從微觀到宏觀的所有特性，展示產品的生命周期的演進過程。當然，不止產品，生產產品的系統(tǒng)（生產設備、生產線）和使用維護中的系統(tǒng)也要按需建立Digital Twin。
應用和進展
實現(xiàn)Digital Twin的許多關鍵技術都已經開發(fā)出來，比如多物理尺度和多物理量建模、結構化的健康管理、高性能計算等，但實現(xiàn)Digital Twin需要集成和融合這些跨領域、跨專業(yè)的多項技術，從而對裝備的健康狀況進行有效評估，這與單個技術發(fā)展的愿景有著顯著的區(qū)別。因此，可以設想Digital Twin這樣一個極具顛覆的概念，在未來可以預見的時間內很難取得足夠的成熟度，建立中間過程的里程碑目標就顯得尤為必要。
數字孿生
GE將其作為工業(yè)互聯(lián)網的一個重要概念，力圖通過大數據的分析，可以完整地透視物理世界機器實際運行的情況；而
圖4 數字世界和實體世界的融合
系統(tǒng)的基礎
Digital twin最為重要的啟發(fā)意義在于，它實現(xiàn)了現(xiàn)實物理系統(tǒng)向賽博空間數字化模型的反饋。這是一次工業(yè)領域中，逆向思維的壯舉。人們試圖將物理世界發(fā)生的一切，塞回到數字空間中。只有帶有回路反饋的全生命跟蹤，才是真正的全生命周期概念。這樣，就可以真正在全生命周期范圍內，保證數字與物理世界的協(xié)調一致。各種基于數字化模型進行的各類仿真、分析、數據積累、挖掘，甚至人工智能的應用，都能確保它與現(xiàn)實物理系統(tǒng)的適用性。這就是Digital twin對智能制造的意義所在。
原理
最早，數字孿生思想由密歇根大學的 Michael Grieves 命名為“信息鏡像模型”（Information Mirroring Model），而后演變?yōu)椤皵底謱\生”的術語。數字孿生也被稱為數字雙胞胎和數字化映射。數字孿生是在 MBD 基礎上深入發(fā)展起來的，企業(yè)在實施基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）的過程中產生了大量的物理的、數學的模型，這些模型為數字孿生的發(fā)展奠定了基礎。2012 年 NASA 給出了數字孿生的概念描述：數字孿生是指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數據，集成多學科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對實體產品的鏡像，反映了相對應物理實體產品的全生命周期過程。為了便于數字孿生的理解，莊存波等提出了數字孿生體的概念，認為數字孿生是采用信息技術對物理實體的組成、特征、功能和性能進行數字化定義和建模的過程。數字孿生體是指在計算機虛擬空間存在的與物理實體完全等價的信息模型，可以基于數字孿生體對物理實體進行仿真分析和優(yōu)化。數字孿生是技術、過程、方法，數字孿體是對象、模型和數據。
進入21世紀，美國和德國均提出了 Cyber-Physical System（CPS），也就是“信息-物理系統(tǒng)”，作為先進制造業(yè)的核心支撐技術。CPS 的目標就是實現(xiàn)物理世界和信息世界的交互融合。通過大數據分析、人工智能等新一代信息技術在虛擬世界的仿真分析和預測，以最優(yōu)的結果驅動物理世界的運行。數字孿生的本質就是在信息世界對物理世界的等價映射，因此數字孿生更好的詮釋了 CPS,成為實現(xiàn) CPS 的最佳技術。
基本組成
2011 年，Michael Grieves 教授在《幾乎完美：通過PLM驅動創(chuàng)新和精益產品》給出了數字孿生的三個組成部分：物理空間的實體產品、虛擬空間的虛擬產品、物理空間和虛擬空間之間的數據和信息交互接口。
在 2016 西門子工業(yè)論壇上，西門子認為數字孿生的組成包括：產品數字化雙胞胎、生產工藝流程數字化雙胞胎、設備數字化雙胞胎，數字孿生完整真實地再現(xiàn)了整個企業(yè)。北京理工大學的莊存波等也從產品的視角給出了數字孿生的主要組成，包括：產品的設計數據、產品工藝數據、產品制造數據、產品服務數據、以及產品退役和報廢數據等。無論是西門子還是北京理工大學的莊存波都是從產品的角度給出了數字孿生的組成，并且西門子是以它的產品全生命周期管理系統(tǒng)（product lifecycle management，PLM）為基礎，在制造企業(yè)推廣它的數字孿生相關產品。
同濟大學的唐堂等人提出數字孿生的組成應該包括：產品設計、過程規(guī)劃、生產布局、過程仿真、產量優(yōu)化等。該數字孿生的組成不僅包括了產品的設計數據，也包括了生產品的生產過程和仿真分析，更加全面，更加符合智能工廠的要求。
北京航空航天的陶飛等人從車間組成的角度先給出了車間數字孿生的定義，然后提出了車間數字孿生的組成，主要包括：物理車間、虛擬車間、車間服務系統(tǒng)、車間孿生數據幾部分組成。物理車間是真實存在的車間，主要從車間服務系統(tǒng)接收生產任務，并按照虛擬車間仿真優(yōu)化后的執(zhí)行策略，執(zhí)行完成任務；虛擬車間是物理車間的計算機內的等價映射，主要負責對生產活動進行仿真分析和優(yōu)化，并對物理車間的生產活動進行實時的監(jiān)測、預測和調控；車間服務系統(tǒng)是車間各類軟件系統(tǒng)的總稱，主要負責車間數字孿生驅動物理車間的運行，和接受物理車間的生產反饋。
應用場景
- 最早，美國國家航空航天局使用數字孿生對空間飛行器進行仿真分析、檢測和預測，輔助地面管控人員進行決策。
- Michael Grieves 教授和西門子公司主要使用數字孿生進行產品數據的全生命周期管理。利用數字孿生對產品設計、產品功能、產品性能、加工工藝、維修維護等進行仿真分析。
- 北京航空航天大陶飛等人將數字孿生應用于車間的建設和管控，主要涉及基于數字孿生的產品設計、基于數字孿生的虛擬樣機、基于數字孿生的車間快速設計、基于數字孿生的工藝規(guī)劃、基于數字孿生的車間生產調度優(yōu)化、基于數字孿生的生產物流精準配送、基于數字孿生的車間裝備智能控制、基于數字孿生的車間人機交互、基于數字孿生的裝配、基于數字孿生的測試/檢測、基于數字孿生的制造能耗管理、基于數字孿生的產品質量分析與追溯、基于數字孿生的故障預測與健康管理、基于數字孿生的產品服務系統(tǒng)等。
標準體系
數字孿生標準體系可包含以下部分：
1. 基礎共性標準：包括術語標準、參考架構標準、適用準則三部分，關注數字孿生的概念定義、參考框架、適用條件與要求，為整個標準體系提供支撐作用。
2. 數字孿生關鍵技術標準：包括物理實體標準、虛擬實體標準、孿生數據標準、連接與集成標準、服務標準五部分，用于規(guī)范數字孿生關鍵技術的研究與實施，保證數字孿生實施中的關鍵技術的有效性，破除協(xié)作開發(fā)和模塊互換性的技術壁壘。
3. 數字孿生工具/平臺標準：包括工具標準和平臺標準兩部分，用于規(guī)范軟硬件工具/平臺的功能、性能、開發(fā)、集成等技術要求。
4. 數字孿生測評標準：包括測評導則、測評過程標準、測評指標標準、測評用例標準四部分，用于規(guī)范數字孿生體系的測試要求與評價方法。
6. 數字孿生行業(yè)應用標準：考慮數字孿生在不同行業(yè)/領域、不同場景應用的技術差異性，在基礎共性標準、關鍵技術標準、工具/平臺標準、測評標準、安全標準的基礎上，對數字孿生在機床、車間、工程機械裝備等具體行業(yè)應用的落地進行規(guī)范。
研究現(xiàn)狀
在智能制造領域最先使用數字孿生概念的是美國的航空航天局（NASA）在阿波羅項目中，美國國家航空航天局使用空間飛行器的數字孿生對飛行中的空間飛行器進行仿真分析，監(jiān)測和預測空間飛行器的飛行狀態(tài)，輔助地面控制人員作出正確的決策。從美國國家航空航天局對數字孿生的應用來看，數字孿生主要是要創(chuàng)建和物理實體等價的虛擬體或數字模型，虛擬體能夠對物理實體進行仿真分析，能夠根據物理實體運行的實時反饋信息對物理實體的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，能夠依據采集的物理實體的運行數據完善虛擬體的仿真分析算法，從而對物理實體的后續(xù)運行和改進提供更加精確的決策。
密歇根大學的邁克爾·格里夫斯教授在2003年提出了“物理產品的數字表達”的概念，并指出物理產品的數字表達應能夠抽象的表達物理產品，能夠基于數字表達對物理產品進行真實條件或模擬條件下的測試。這個概念雖然沒有被稱作數字孿生，但是它具備數字孿生所具有的組成和功能，即創(chuàng)建物理實體的等價虛擬體，虛擬體能夠對物理實體進行仿真分析和測試。邁克爾·格里夫斯教授提出的理論，可以被看做是數字孿生在產品設計過程中的應用。
美國國家標準與技術研究院于 2012 提出了 MBD（基于模型的定義）和 MBE（基于模型的企業(yè)）的概念，其核心思想是要創(chuàng)建企業(yè)和產品的數字模型，數字模型的仿真分析要貫穿產品設計、產品設計仿真、加工工藝仿真、生產過程仿真、產品的維修維護等整個產品的壽命周期。MBE 和 MBD 的概念將數字孿生的內涵擴展到了整個產品的制造過程。
2015年之后，世界各國分別提出國家層面的制造業(yè)轉型戰(zhàn)略。這些戰(zhàn)略核心目標之一就是構建物理信息系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS），實現(xiàn)物理工廠與信息化的虛擬工廠的交互和融合，從而實現(xiàn)智能制造，數字孿生作為實現(xiàn)物理工廠與虛擬工廠的交互融合的最佳途徑，被國內外相關學術界和企業(yè)高度關注。從 CPS 和數字孿生的內涵來看，他們都是為了描述信息空間與物理世界融合的狀態(tài)，CPS 更偏向科學原理的驗證，數字孿生更適合工程應用的優(yōu)化，更能夠降低復雜工程系統(tǒng)建設的費用。北京航空航天大學的陶飛，張萌等人基于數字孿生提出了數字孿生車間的概念，并從車間管理要素分析，數字孿生車間的發(fā)展需要依次經過生產要素、生產活動、生產控制僅限于物理車間，物理車間與數字孿生車間相對獨立，物理車間與數字孿生車間交互融合這個三個階段，才能夠逐漸的成熟。同濟大學的唐堂，滕琳等認為數字孿生是整合企業(yè)的制造流程，實現(xiàn)產品從設計到維護全過程的數字化，通過信息集成實現(xiàn)生產過程可視化，形成從分析到控制再到分析的閉合回路，優(yōu)化整個生產系統(tǒng)。GE Digital工業(yè)互聯(lián)網創(chuàng)新與生態(tài)發(fā)展負責人 Robert Plana 認為，數字孿生最重要的價值是預測，在產品制造過程中出現(xiàn)問題時，可以基于數字孿生對生產策略進行分析，然后基于優(yōu)化后的生產策略進行組織生產。
2022年7月21日，阿里云在北京正式發(fā)布超融合數字孿生平臺。相較于傳統(tǒng)數字孿生技術，該平臺能將感知、仿真、控制、可視等四域數據進行融合與計算，使得算法更快、算力更強，保障分析推演的速度與準確性，目前已廣泛應用于高速公路、城市交通、碼頭及機場等場景，且成效顯著。
參考資料
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從“制造”到“智造”“數字孿生”構建經濟發(fā)展新藍圖2021-09-08T13:15:04+08:00[引用日期2022-06-20 19:39:03]
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用技術喚醒機器 智能經濟不是簡單的升級2019-02-12T08:23:34+08:00[引用日期2022-06-20 19:43:58]
[3]
大腦有了“數字孿生兄弟”2021-07-01T09:37:42+08:00[引用日期2022-06-22 09:45:40]
[4]
用技術喚醒機器 智能經濟不是簡單的升級2019-02-12T10:25:27+08:00[引用日期2022-06-23 16:53:32]
[5]
天眼查推出城市數據云解決方案 三大能力助力新型智慧城市建設 · 東方網[引用日期2022-07-08]
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作者
