1. 數字孿生的概念 

全球最具權威的IT研究與顧問(wèn)咨詢(xún)公司Gartner在2019年十大戰略科技發(fā)展趨勢中將數字孿生作為重要技術(shù)之一，其對數字孿生的描述為：數字孿生是現實(shí)世界實(shí)體或系統的數字化體現。

關(guān)于數字孿生的定義很多。陶飛教授在自然雜志的評述中認為，數字孿生作為實(shí)現虛實(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，可將物理實(shí)體和系統的屬性、結構、狀態(tài)、性能、功能和行為映射到虛擬世界，形成高保真的動(dòng)態(tài)多維／多尺度／多物理量模型，為觀(guān)察物理世界、認識物理世界、理解物理世界、控制物理世界、改造物理世界提供了一種有效手段。

CIMdata推薦的定義是：“數字孿生（即數字克?。菏腔谖锢韺?shí)體的系統描述，可以實(shí)現對跨越整個(gè)系統生命周期可信來(lái)源的數據、模型和信息進(jìn)行創(chuàng )建、管理和應用?！贝硕x簡(jiǎn)單，但若沒(méi)有真正理解其中的關(guān)鍵詞（系統描述，生命周期，可信來(lái)源，模型），則可能產(chǎn)生誤解。

2. 數字孿生的模型

1）數字孿生的概念模型

基于數字孿生的文字定義，圖2給出數字孿生的五維概念模型。

數字孿生五維概念模型是一個(gè)通用的參考架構，能適用不同領(lǐng)域的不同應用對象。其次，它的五維結構能與物聯(lián)網(wǎng)、大數據、人工智能等新信息技術(shù)集成與融合，滿(mǎn)足信息物理系統集成、信息物理數據融合、虛實(shí)雙向連接與交互等需求。再次，孿生數據（DD）集成融合了信息數據與物理數據，滿(mǎn)足信息空間與物理空間的一致性與同步性需求，能提供更加準確、全面的全要素/全流程/全業(yè)務(wù)數據支持。服務(wù)（Ss）對數字孿生應用過(guò)程中面向不同領(lǐng)域、不同層次用戶(hù)、不同業(yè)務(wù)所需的各類(lèi)數據、模型、算法、仿真、結果等進(jìn)行服務(wù)化封裝，并以應用軟件或移動(dòng)端App的形式提供給用戶(hù)，實(shí)現對服務(wù)的便捷與按需使用。連接（CN）實(shí)現物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、服務(wù)及數據之間的普適工業(yè)互聯(lián)，從而支持虛實(shí)實(shí)時(shí)互聯(lián)與融合。虛擬實(shí)體（VE）從多維度、多空間尺度及多時(shí)間尺度對物理實(shí)體進(jìn)行刻畫(huà)和描述。

2）數字孿生的系統架構

圖3給出了數字孿生系統的通用參考架構。一個(gè)典型的數字孿生系統包括用戶(hù)域、數字孿生體、測量與控制實(shí)體、現實(shí)物理域和跨域功能實(shí)體共5個(gè)層次。

3）數字孿生的成熟度模型

數字孿生不僅僅是物理世界的鏡像，也要接受物理世界實(shí)時(shí)信息，更要反過(guò)來(lái)實(shí)時(shí)驅動(dòng)物理世界，而且進(jìn)化為物理世界的先知、先覺(jué)甚至超體。這個(gè)演變過(guò)程稱(chēng)為成熟度進(jìn)化，即數字孿生的生長(cháng)發(fā)育將經(jīng)歷數化、互動(dòng)、先知、先覺(jué)和共智等幾個(gè)過(guò)程（圖4）。

（1）數化。數化是對物理世界數字化的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程需要將物理對象表達為計算機和網(wǎng)絡(luò )所能識別的數字模型。建模技術(shù)是數字化的核心技術(shù)之一，例如測繪掃描、幾何建模、網(wǎng)格建模、系統建模、流程建模、組織建模等技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)是“數化”的另一項核心技術(shù)，將物理世界本身的狀態(tài)變?yōu)榭梢员挥嬎銠C和網(wǎng)絡(luò )所能感知、識別和分析。

（2）互動(dòng)。互動(dòng)主要是指數字對象及其物理對象之間的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)互動(dòng)。物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現虛實(shí)之間互動(dòng)的核心技術(shù)。數字世界的責任之一是預測和優(yōu)化，同時(shí)根據優(yōu)化結果干預物理世界，所以需要將指令傳遞到物理世界。物理世界的新?tīng)顟B(tài)需要實(shí)時(shí)傳導到數字世界，作為數字世界的新初始值和新邊界條件。另外，這種互動(dòng)包括數字對象之間的互動(dòng)，依靠數字線(xiàn)程來(lái)實(shí)現。

（3）先知。先知是指利用仿真技術(shù)對物理世界的動(dòng)態(tài)預測。這需要數字對象不僅表達物理世界的幾何形狀，更需要在數字模型中融入物理規律和機理。仿真技術(shù)不僅建立物理對象的數字化模型，還要根據當前狀態(tài)，通過(guò)物理學(xué)規律和機理來(lái)計算、分析和預測物理對象的未來(lái)狀態(tài)。

（4）先覺(jué)。如果說(shuō)“先知”是依據物理對象的確定規律和完整機理來(lái)預測數字孿生的未來(lái)，那“先覺(jué)”就是依據不完整的信息和不明確的機理，通過(guò)工業(yè)大數據和機器學(xué)習技術(shù)來(lái)預感未來(lái)。如果要求數字孿生越來(lái)越智能和智慧，就不應局限于人類(lèi)對物理世界的確定性知識，因為人類(lèi)本身就不是完全依賴(lài)確定性知識而領(lǐng)悟世界的。

（5）共智。共智是通過(guò)云計算技術(shù)實(shí)現不同數字孿生之間的智慧交換和共享，其隱含的前提是單個(gè)數字孿生內部各構件的智慧首先是共享的。所謂“單個(gè)”數字孿生體是人為定義的范圍，多個(gè)數字孿生單體可以通過(guò)“共智”形成更大和更高層次的數字孿生體，這個(gè)數量和層次可以是無(wú)限的。

3. 數字孿生的關(guān)鍵技術(shù)

建模、仿真和基于數據融合的數字線(xiàn)程是數字孿生的3項核心技術(shù)。

1）建模

數字化建模技術(shù)起源于20世紀50年代，建模的目的是將我們對物理世界或問(wèn)題的理解進(jìn)行簡(jiǎn)化和模型化。數字孿生的目的或本質(zhì)是通過(guò)數字化和模型化，消除各種物理實(shí)體、特別是復雜系統的不確定性。所以建立物理實(shí)體的數字化模型或信息建模技術(shù)是創(chuàng )建數字孿生、實(shí)現數字孿生的源頭和核心技術(shù)，也是“數化”階段的核心。

數字孿生的模型發(fā)展分為4個(gè)階段，這種劃分代表了工業(yè)界對數字孿生模型發(fā)展的普遍認識，如圖5所示。

第1個(gè)階段是實(shí)物模型階段，沒(méi)有虛擬模型與之對應。NASA在太空飛船飛行過(guò)程中，會(huì )在地面構建太空飛船的雙胞胎實(shí)物模型。這套實(shí)物模型曾在拯救Apollo 13的過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用。

第2個(gè)階段是實(shí)體模型有其對應的部分實(shí)現的虛擬模型，但它們之間不存在數據通信。其實(shí)這個(gè)階段不能稱(chēng)為數字孿生的階段，一般準確的說(shuō)法是實(shí)物的數字模型。還有就是雖然有虛擬模型，但這個(gè)虛擬模型可能反應的是來(lái)源于它的所有實(shí)體，例如設計成果二維/三維模型，同樣使用數字形式表達了實(shí)體模型，但兩者直接并不是個(gè)體對應的。

第3個(gè)階段是在實(shí)體模型生命周期里，存在與之對應的虛擬模型，但虛擬模型是部分實(shí)現的，這個(gè)就像是實(shí)體模型的影子，也可稱(chēng)為數字影子模型，在虛擬模型間和實(shí)體模型間可以進(jìn)行有限的雙向數據通信，即實(shí)體狀態(tài)數據采集和虛擬模型信息反饋。當前數字孿生的建模技術(shù)能夠較好的滿(mǎn)足這個(gè)階段的要求。

第4個(gè)階段是完整數字孿生階段，即實(shí)體模型和虛擬模型完全一一對應。虛擬模型完整表達了實(shí)體模型，并且兩者之間實(shí)現了融合，實(shí)現了虛擬模型和實(shí)體模型間自我認知和自我處置，相互之間的狀態(tài)能夠實(shí)時(shí)保真的保持同步。

值得注意的是，有時(shí)候可以先有虛擬模型，再有實(shí)體模型，這也是數字孿生技術(shù)應用的高級階段。

一個(gè)物理實(shí)體不是僅對應一個(gè)數字孿生體，可能需要多個(gè)從不同側面或視角描述的數字孿生體。人們很容易認為一個(gè)物理實(shí)體對應一個(gè)數字孿生體。如果只是幾何的，這種說(shuō)法尚能成立。恰恰因為人們需要認識實(shí)體所處的不同階段、不同環(huán)境中的不同物理過(guò)程，一個(gè)數字孿生體顯然難以描述。如一臺機床在加工時(shí)的振動(dòng)變形情況、熱變形情況、刀具與工件相互作用的情況……這些情況自然需要不同的數字孿生體進(jìn)行描述。

不同的建模者從某一個(gè)特定視角描述一個(gè)物理實(shí)體的數字孿生模型似乎應該是一樣的，但實(shí)際上可能有很大差異。前述一個(gè)物理實(shí)體可能對應多個(gè)數字孿生體，但從某個(gè)特定視角的數字孿生體似乎應該是唯一的，實(shí)則不然。差異不僅是模型的表達形式，更重要的是孿生數據的粒度。如在所謂的智能機床中，通常人們通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)獲得加工尺寸、切削力、振動(dòng)、關(guān)鍵部位的溫度等方面的數據，以此反映加工質(zhì)量和機床運行狀態(tài)。不同的建模者對數據的取舍肯定不一樣。一般而言，細粒度數據有利于人們更深刻地認識物理實(shí)體及其運行過(guò)程。

2）仿真

從技術(shù)角度看，建模和仿真是一對伴生體：如果說(shuō)建模是模型化我們對物理世界或問(wèn)題的理解，那么仿真就是驗證和確認這種理解的正確性和有效性。所以，數字化模型的仿真技術(shù)是創(chuàng )建和運行數字孿生體、保證數字孿生體與對應物理實(shí)體實(shí)現有效閉環(huán)的核心技術(shù)。

仿真是將包含了確定性規律和完整機理的模型轉化成軟件的方式來(lái)模擬物理世界的一種技術(shù)。只要模型正確，并擁有了完整的輸入信息和環(huán)境數據，就可以基本正確地反映物理世界的特性和參數。

仿真興起于工業(yè)領(lǐng)域，作為必不可少的重要技術(shù)，已經(jīng)被世界上眾多企業(yè)廣泛應用到工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域中，是推動(dòng)工業(yè)技術(shù)快速發(fā)展的核心技術(shù)，是工業(yè)3.0時(shí)代最重要的技術(shù)之一，在產(chǎn)品優(yōu)化和創(chuàng )新活動(dòng)中扮演不可或缺的角色。近年來(lái)，在工業(yè)4.0、智能制造等新一輪工業(yè)革命的興起，新技術(shù)與傳統制造的結合催生了大量新型應用，工程仿真軟件也開(kāi)始與這些先進(jìn)技術(shù)結合，在研發(fā)設計、生產(chǎn)制造、試驗運維等各環(huán)節發(fā)揮更重要的作用。

隨著(zhù)仿真技術(shù)的發(fā)展，這種技術(shù)被越來(lái)越多的領(lǐng)域所采納，逐漸發(fā)展出更多類(lèi)型的仿真技術(shù)和軟件。

針對數字孿生緊密相關(guān)的工業(yè)制造場(chǎng)景，我們梳理其中所涉及的仿真技術(shù)如下（圖6）：

（1）產(chǎn)品仿真，如系統仿真、多體仿真、物理場(chǎng)仿真、虛擬實(shí)驗等；

（2）制造仿真，如工藝仿真、裝配仿真、數控加工仿真等；

（3）生產(chǎn)仿真，如離散制造工廠(chǎng)仿真、流程制造仿真等。

數字孿生是仿真應用新巔峰。在數字孿生的成熟度的每個(gè)階段，仿真都在扮演著(zhù)不可或缺的角色：“數化”的核心技術(shù)——建?？偸呛头抡媛?lián)系在一起，或是仿真的一部分；“互動(dòng)”是半實(shí)物仿真中司空見(jiàn)慣的場(chǎng)景；“先知”的核心技術(shù)本色就是仿真；很多學(xué)者將“先覺(jué)”中的核心技術(shù)——工業(yè)大數據視為一種新的仿真范式；“共智”需要通過(guò)不同孿生體之間的多種學(xué)科耦合仿真才能讓思想碰撞，才能產(chǎn)生智慧的火花。數字孿生也因為仿真在不同成熟度階段中無(wú)處不在而成為智能化和智慧化的源泉與核心。

3）數字線(xiàn)程

一個(gè)與數字孿生緊密聯(lián)系在一起的概念是數字線(xiàn)程（digital thread）。數字孿生應用的前提是各個(gè)環(huán)節的模型及大量的數據，那么類(lèi)似于產(chǎn)品的設計、制造、運維等各方面的數據，如何產(chǎn)生、交換和流轉？如何在一些相對獨立的系統之間實(shí)現數據的無(wú)縫流動(dòng)？如何在正確的時(shí)間把正確的信息用正確的方式連接到正確的地方？連接的過(guò)程如何可追溯？連接的效果還要可評估。這些正是數字主線(xiàn)要解決的問(wèn)題。CIMdata推薦的定義：“數字主線(xiàn)指一種信息交互的框架，能夠打通原來(lái)多個(gè)豎井式的業(yè)務(wù)視角，連通設備全生命周期數據的互聯(lián)數據流和集成視圖”。數字線(xiàn)程通過(guò)強大的端到端的互聯(lián)系統模型和基于模型的系統工程流程來(lái)支撐和支持，圖7是其示意圖。

數字線(xiàn)程是與某個(gè)或某類(lèi)物理實(shí)體對應的若干數字孿生體之間的溝通橋梁，這些數字孿生體反映了該物理實(shí)體不同側面的模型視圖。數字線(xiàn)程和數字孿生體之間的關(guān)系如圖8所示。

從圖8可以看出，能夠實(shí)現多視圖模型數據融合的機制或引擎是數字線(xiàn)程技術(shù)的核心。因此，數字孿生的概念模型中，將數字線(xiàn)程表示為模型數據融合引擎和一系列數字孿生體的結合。數字孿生環(huán)境下實(shí)現數字線(xiàn)程有如下需求：

（1）能區分類(lèi)型和實(shí)例；

（2）支持需求及其分配、追蹤、驗證和確認；

（3）支持系統跨時(shí)間尺度各模型視圖間的實(shí)際狀態(tài)記實(shí)、關(guān)聯(lián)和追蹤；

（4）支持系統跨時(shí)間尺度各模型間的關(guān)聯(lián)和及其時(shí)間尺度模型視圖的關(guān)聯(lián)；

（5）記錄各種屬性及其隨時(shí)間和不同的視圖的變化；

（6）記錄作用于系統以及由系統完成的過(guò)程或動(dòng)作；

（7）記錄使能系統的用途和屬性；

（8）記錄與系統及其使能系統相關(guān)的文檔和信息。

數字線(xiàn)程必須在全生命周期中使用某種“共同語(yǔ)言”，才能交互。例如，在概念設計階段，就有必要由產(chǎn)品工程師與制造工程師共同創(chuàng )建能夠共享的動(dòng)態(tài)數字模型。據此模型生成加工制造和質(zhì)量檢驗等生產(chǎn)過(guò)程所需可視化工藝、數控程序、驗收規范等，不斷優(yōu)化產(chǎn)品和過(guò)程，并保持實(shí)時(shí)同步更新。數字線(xiàn)程能有效地評估系統在其生命周期中的當前和未來(lái)能力，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)之前，通過(guò)仿真的方法及早發(fā)現系統性能缺陷，優(yōu)化產(chǎn)品的可操作性、可制造性、質(zhì)量控制，以及在整個(gè)生命周期中應用模型實(shí)現可預測維護。

4. 數字孿生在智能制造中的典型應用案例

1）數字孿生設計物料堆放場(chǎng)

在電廠(chǎng)、鋼鐵廠(chǎng)、礦場(chǎng)都有物料堆放場(chǎng)。傳統上，設計這些堆放場(chǎng)時(shí)，設計需求是人為規劃的。堆放場(chǎng)建設運行后，卻常常發(fā)現當時(shí)的設計無(wú)法滿(mǎn)足現場(chǎng)需求。這種差距有時(shí)會(huì )非常大，造成巨大浪費。

為了應對這一挑戰，在設計新的物料堆放場(chǎng)時(shí)，ABB公司使用了數字孿生技術(shù)。從設計需求開(kāi)始，設計人員就利用物聯(lián)網(wǎng)獲得的歷史運行數據進(jìn)行大數據分析，對需求進(jìn)行優(yōu)化。在設計過(guò)程中，ABB借助于CAD/CAE/VR等技術(shù)開(kāi)發(fā)了物料堆放場(chǎng)的數字孿生（圖9）。該數字孿生實(shí)時(shí)反映了物料傳輸、存儲、混合、質(zhì)量等隨環(huán)境變化的參數。針對該物料場(chǎng)的設計并不是一次完成的，而是經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化才定型的。在優(yōu)化階段，在數字孿生中對物理場(chǎng)進(jìn)行虛擬運行。通過(guò)運行反映出的動(dòng)態(tài)變化，提前獲得運行后可能會(huì )出現的問(wèn)題，然后自動(dòng)改進(jìn)設計。通過(guò)多次迭代優(yōu)化，形成最終的設計方案。

通過(guò)運行過(guò)程證明，通過(guò)數字孿生設計的新方案可以更好地滿(mǎn)足現場(chǎng)需求。而且，結合物聯(lián)網(wǎng)，設計階段的數字孿生體會(huì )在運行階段繼續使用，不斷優(yōu)化物料場(chǎng)的運行。

2）數字孿生機床

機床是制造業(yè)中的重要設備。隨著(zhù)客戶(hù)對產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，機床也面臨著(zhù)提高加工精度、減少次品率、降低能耗等嚴苛的要求。

在歐盟領(lǐng)導的歐洲研究和創(chuàng )新計劃項目中，研究人員開(kāi)發(fā)了機床的數字孿生體，以?xún)?yōu)化和控制機床的加工過(guò)程（圖10）。除了常規的基于模型的仿真和評估之外，研究人員使用開(kāi)發(fā)的工具監控機床加工過(guò)程，并進(jìn)行直接控制。采用基于模型的評估，結合監視數據，改進(jìn)制造過(guò)程的性能。通過(guò)控制部件的優(yōu)化來(lái)維護操作、提高能源效率、修改工藝參數，從而提高生產(chǎn)率，確保機床重要部件在下次維修之前都保持良好狀態(tài)。

在建立機床的數字孿生體時(shí)，利用CAD和CAE技術(shù)建立了機床動(dòng)力學(xué)模型（圖11）、加工工程模擬、能源效率模型和關(guān)鍵部件壽命模型。這些模型能夠計算材料去除率和毛邊的厚度變化，以及預測道具破壞的情況。除了優(yōu)化道具加工過(guò)程中的切屑力外，還可以模擬道具的穩定性，允許對加工過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。此外，模型還預測了表面粗糙度和熱誤差。機床數字孿生體能把這些模型和測量數據實(shí)時(shí)連接起來(lái)，為控制機床的操作提供輔助決策。機床的監控系統部署在本地系統中，同時(shí)將數據上傳至云端的數據管理平臺，在云平臺上管理并運行這些數據。

5. 數字孿生未來(lái)發(fā)展趨勢 

結合當前數字孿生的發(fā)展現狀，未來(lái)數字孿生將向擬實(shí)化、全生命周期化和集成化3個(gè)方向發(fā)展。

1）擬實(shí)化——多物理建模

數字孿生是物理實(shí)體在虛擬空間的真實(shí)反映，數字孿生在工業(yè)領(lǐng)域應用的成功程度取決于數字孿生的逼真程度，即擬實(shí)化程度。產(chǎn)品的每個(gè)物理特性都有其特定的模型，包括計算流體動(dòng)力學(xué)模型、結構動(dòng)力學(xué)模型、熱力學(xué)模型、應力分析模型、疲勞損傷模型以及材料狀態(tài)演化模型。如何將這些基于不同物理屬性的模型關(guān)聯(lián)在一起，是建立數字孿生、繼而充分發(fā)揮數字孿生模擬、診斷、預測和控制作用的關(guān)鍵?；诙辔锢砑赡Ｐ偷姆抡娼Y果能夠更加精確地反映和鏡像物理實(shí)體在現實(shí)環(huán)境中的真實(shí)狀態(tài)和行為，使得在虛擬環(huán)境中產(chǎn)品的功能和性能并最終替代物理樣機成為可能，同時(shí)還能夠解決基于傳統方法預測產(chǎn)品健康狀況和剩余壽命所存在的時(shí)序和幾何尺度等問(wèn)題。多物理建模將是提高數字孿生擬實(shí)化程度、充分發(fā)揮數字孿生作用的重要技術(shù)手段。

2）全生命周期化——從產(chǎn)品設計和服務(wù)階段向產(chǎn)品制造階段延伸

基于物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)等新一代信息與通信技術(shù)，實(shí)時(shí)采集和處理生產(chǎn)現場(chǎng)產(chǎn)生的過(guò)程數據，并將這些過(guò)程數據與生產(chǎn)線(xiàn)數字孿生進(jìn)行關(guān)聯(lián)映射和匹配，能夠在線(xiàn)實(shí)現對產(chǎn)品制造過(guò)程的精細化管控；同時(shí)結合智能云平臺以及動(dòng)態(tài)貝葉斯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等數據挖掘和機器學(xué)習算法，實(shí)現對生產(chǎn)線(xiàn)、制造單元、生產(chǎn)進(jìn)度、物流、質(zhì)量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化與調整。

3）集成化——與其他技術(shù)融合

數字線(xiàn)程技術(shù)作為數字孿生的使能技術(shù)，用于實(shí)現數字孿生全生命周期各階段模型和關(guān)鍵數據的雙向交互，是實(shí)現單一產(chǎn)品數據源和產(chǎn)品全生命周期各階段高效協(xié)同的基礎。美國國防部將數字線(xiàn)程技術(shù)作為數字制造最重要的基礎技術(shù)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟也將數字線(xiàn)程作為其需要著(zhù)重解決的關(guān)鍵性技術(shù)。當前，產(chǎn)品設計、工藝設計、制造、檢驗、使用等各個(gè)環(huán)節之間仍然存在斷點(diǎn)，并未完全實(shí)現數字量的連續流動(dòng)；MBD技術(shù)的出現雖然加強和規范了基于產(chǎn)品三維模型的制造信息描述，但仍主要停留在產(chǎn)品設計階段和工藝設計階段，需要向產(chǎn)品制造/裝配、檢驗、使用等階段延伸；而且現階段的數字量流動(dòng)是單向的，需要數字線(xiàn)程技術(shù)實(shí)現雙向流動(dòng)。因此，融合數字線(xiàn)程和數字孿生是未來(lái)的發(fā)展趨勢。

來(lái)源：PLM之神