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详解数字孪生应用的要害问题！

泉源：树根科技2020.07.02

目今，，，，，，，数字孪生（Digital twin）是各界关注的热门，，，，，，，全球著名IT研究机构Gartner曾在2017年至2019年一连三年将数字孪生列为十大新兴手艺之一。。。。。北京航空航天大学陶飞教授团队对数字孪外行艺举行了恒久的深入研究，，，，，，，撰写了一批国际水准的学术论文。。。。。近期，，，，，，，美国工业互联网同盟（IIC）、IDC、埃森哲、中国信通院、赛迪等研究机构相继揭晓了相关白皮书，，，，，，，我国从政府主管部分到企业也十分关注数字孪外行艺。。。。。

可是，，，，，，，目今业界关于数字孪外行艺还保存一些模糊甚至过失的熟悉，，，，，，，给数字孪外行艺披上了一层神秘的面纱。。。。。e-works以为，，，，，，，若是不可准确明确数字孪外行艺的基本内在就囫囵吞枣地应用数字孪外行艺，，，，，，，很可能会“走入邪路”。。。。。为此，，，，，，，本文希望团结工业界的应用需求与实践，，，，，，，厘清对数字孪生的基本熟悉，，，，，，，指导企业准确明确和应用数字孪外行艺。。。。。

01

关于数字孪生的内在

许多业界主流公司都对数字孪生给出了自己的明确和界说，，，，，，，关于数字孪生的泉源，，，，，，，本文不再赘述。。。。。本文首先对Gartner在已往三年对数字孪生的叙述举行解读。。。。。

2017年，，，，，，，Gartner在十大新兴手艺的专题对数字孪生的诠释是：数字孪生是实物或系统的动态软件模子，，，，，，，在三到五年内，，，，，，，数十亿计的实物将通过数字孪生来表达。。。。。通过应用实物的零部件运行和对情形做出反应的物理数据，，，，，，，以及来自传感器的数据，，，，，，，数字孪生可用于剖析和模拟现实运行状态，，，，，，，应对转变，，，，，，，改善运营，，，，，，，实现增值。。。。。数字孪生所施展的作用就像一个专业技师和古板的监控和控制器（例如压力表）的团结体。。。。。推进数字孪生应用需要举行文化厘革，，，，，，，团结装备维护专家、数据科学家和IT专家的优势。。。。。将装备的数字孪生模子与生产设施、情形，，，，，，，以及人、营业和流程的数字表达团结起来，，，，，，，以实现对现实天下越发准确的数字表达，，，，，，，从而实现仿真、剖析和控制。。。。。

在Gartner2017年宣布的新兴手艺成熟度曲线中，，，，，，，数字孪生处于立异萌发期，，，，，，，距离成熟应用尚有5-10年时间。。。。。

2018年，，，，，，，Gartner在十大新兴手艺专题中对数字孪生的诠释是：数字孪生是现实天下实物或系统的数字化表达。。。。。随着物联网的普遍应用，，，，，，，数字孪生可以毗连现实天下的工具，，，，，，，提供其状态信息，，，，，，，响应转变，，，，，，，改善运营并增添价值。。。。。到2020年，，，，，，，预计将有210亿个传感器和最后接入点毗连在一起，，，，，，，在不久的未来，，，，，，，数十亿计物体将拥有数字孪生模子。。。。。Gartner公司副总裁David Cearley指出，，，，，，，通过维修、维护与运营（MRO）以及通过物联网提升装备运营绩效，，，，，，，有望节约数十亿美元。。。。。[2]

短期内，，，，，，，数字孪生将有助于资产治理，，，，，，，但最终将通过洞察产品使用情形，，，，，，，以及有哪些改善途径，，，，，，，从而最终企业提升运营绩效。。。。。

除了通过物联网毗连“物”，，，，，，，数字孪生毗连的工具尚有更多。。。。。“随着时间的推移，，，，，，，我们这个天下的万事万物险些都可以与其数字工具动态地相互毗连，，，，，，，并能够基于AI实现高级仿真、运营和剖析，，，，，，，” Cearley指出。。。。。“从久远来看，，，，，，，从事都会妄想、数字营销、医疗保健和工业妄想的专业人士都将在向集成的数字孪生天下转型中获益。。。。。” 例如，，，，，，，未来的人类数字模子可以提供生物识别和医疗数据，，，，，，，而整个都会的数字孪生模子将能够实现高级模拟。。。。。

从2018年Gartner宣布的新兴手艺成熟度曲线中可以看出，，，，，，，数字孪生已经进入了过热期，，，，，，，其建设和预期泛起了岑岭，，，，，，，凌驾其目今能力，，，，，，，会形成投资泡沫。。。。。

2019年，，，，，，，Gartner在十大新兴手艺专题中对数字孪生的诠释如下：

数字孪生是现实生涯中物体、流程或系统的数字镜像。。。。。大型系统，，，，，，，例如发电厂或都会也可以建设其数字孪生模子。。。。。数字孪生的想法并不新，，，，，，，可以回溯到用盘算机辅助设计来表述产品，，，，，，，或者建设客户的在线档案，，，，，，，可是现在的数字孪生有以下四点差别：[3]

模子的结实性，，，，，，，聚焦于怎样支持特定的营业效果；；；；；；；；
与现实天下的毗连，，，，，，，具有实现实时监控和控制的潜力；；；；；；；；
应用高级大数据剖析和人工智能手艺来获取新的商机；；；；；；；；
数字孪生模子与实物模子的交互，，，，，，，并评估种种场景怎样应对的能力。。。。。

目今的重点是基于物联网应用的数字孪生，，，，，，，可以通过提供维护和可靠性信息，，，，，，，洞察产品怎样更有用地运行和有关新产品和提高效率的数据，，，，，，，以改善企业决议。。。。。组织的数字孪生正在兴起，，，，，，，以通过建设组织的流程模子，，，，，，，可以举行实时监控并提高流程效率。。。。。

从上述剖析中可以看出，，，，，，，Gartner关于数字孪生的明确也有一个一直演进的历程，，，，，，，而数字孪生的应用主体也不局限于基于物联网来洞察和提升产品的运行绩效，，，，，，，而是延伸到更辽阔的领域，，，，，，，例如工厂的数字孪生、都会的数字孪生，，，，，，，甚至组织的数字孪生。。。。。

全球著名PLM研究机构CIMdata以为：数字孪生模子不可能单独保存；；；；；；；；可以有多个针对差别用途的数字孪生模子，，，，，，，每个都有其特定的特征，，，，，，，例如数据剖析数字孪生模子、MRO数字孪生模子、财务数字孪生模子、工程孪生模子以及工程仿真数据孪生模子；；；；；；；；每个数字孪生模子必需有一个对应的物理实体，，，，，，，数字孪生模子可以并且应该先于物理实体而保存；；；；；；；；物理实体可以是工厂、船舶、基础设施、汽车或任何类型的产品；；；；；；；；每个数字孪生模子必需与其对应物理实体有某些形式的数据交互，，，，，，，但不必是实时或电子形式。。。。。

GE Digital以为：数字孪生是资产和流程的软件体现，，，，，，，用于明确、展望和优化绩效以改善营业效果。。。。。数字孪生由三部分组成：数据模子、一组剖析工具或算法，，，，，，，以及知识。。。。。[4]

西门子以为：数字孪生是物理产品或流程的虚拟体现，，，，，，，用于明确和展望物理工具或产品的性能特征。。。。。数字孪生用于在产品的整个生命周期，，，，，，，在物理原型和资产投资之前模拟、展望和优化产品和生产系统。。。。。[5]

SAP以为：数字孪生是物理工具或系统的虚拟体现，，，，，，，但其远远不但是一个高科技的外观。。。。。数字孪生使用数据、机械学习和物联网来资助企业优化、立异和提供新效劳。。。。。[6]

PTC以为：数字孪生（PTC翻译为数字映射）正在成为企业从数字化转型行动中获益的最佳途径。。。。。关于工业企业，，，，，，，数字孪生主要应用于产品的工程设计、运营和效劳，，，，，，，带来主要的商业价值,并为整个企业的数字化转型涤讪基础。。。。。[7]

陶飞教授指出：目今对数字孪生涯在多种差别熟悉和明确，，，，，，，现在尚未形成统一共识的界说，，，，，，，但物理实体、虚拟模子、数据、毗连和效劳是数字孪生的焦点要素。。。。。差别阶段（如产品的差别生命周期）的数字孪生泛起出差别的特点，，，，，，，对数字孪生的熟悉与实践离不开详细工具、详细应用与详细需求。。。。。从应用息争决现实需求的角度出发，，，，，，，现实应用历程中纷歧定要求所建设的“数字孪生”具备所有理想特征，，，，，，，能知足用户的详细需求即可。。。。。

在赵敏先生和宁振波先生撰写的《铸魂：软件界说制造》一书中指出，，，，，，，数字孪生是实践先行，，，，，，，看法后成；；；；；；；；数字孪生模子可以与实物模子高度相像，，，，，，，而不可能相等；；；；；；；；数字孪生模子和实物模子也不是一个简朴的一对一的对应关系，，，，，，，而可能保存一对多，，，，，，，多对一、多对多，，，，，，，甚至一对少，，，，，，，一对零和零对一等多种对应关系。。。。。

团结学术界的研究和工业界的实践，，，，，，，e-works以为，，，，，，，数字孪生并不是一种单位的数字化手艺，，，，，，，而是在多种使能手艺迅速生长和交织融合基础上，，，，，，，通过构建物理实体所对应的数字孪生模子，，，，，，，并对数字孪生模子举行可视化、调试、体验、剖析与优化，，，，，，，从而提升物理实体性能和运行绩效的综合性手艺战略，，，，，，，是企业推进数字化转型的焦点战略行动之一。。。。。

02

数字孪生的基本特征

数字孪生的基本特征是虚实映射。。。。。通过对物理实体构建数字孪生模子，，，，，，，实现物理模子和数字孪生模子的双向映射。。。。。构建数字孪生模子不是目的，，，，，，，而是手段，，，，，，，需要通过对数字孪生模子的剖析与优化，，，，，，，来改善其对应的物理实体的性能和运行绩效。。。。。

任何物理实体都可以建设其数字孪生模子，，，，，，，一个零件、一个部件、一个产品、一台装备、一把加工刀具、一条生产线、一个车间、一座工厂、一个修建、一座都会，，，，，，，以致一颗心脏、一小我私家体等。。。。。关于差别的物理实体，，，，，，，其数字孪生模子的用途和着重点差别很大。。。。。

例如，，，，，，，达索系统资助新加坡构建了数字都会，，，，，，，建设了一座都会的数字孪生模子，，，，，，，不但包括了地理信息的三维模子，，，，，，，种种修建的三维模子，，，，，，，还包括了种种地下管线的三维模子。。。。。该模子作为都会的数字化档案，，，，，，，可以用于优化都会交通，，，，，，，便于种种公共设施的维护。。。。。Biodigital公司建设了生物数字人体模拟演示的在线平台，，，，，，，可以资助医生和科学家研究人体结构，，，，，，，举行模拟试验。。。。。在太空探索的历程中，，，，，，，科学家通过数字孪生模子对远在太空的航天器，，，，，，，例如上岸火星的“好奇号”火星车举行远程监控、仿真与操控。。。。。显然，，，，，，，物理实体的结构越重大，，，，，，，其对应的数字孪生模子也会越重大，，，，，，，实现数字孪生应用的难度也更大。。。。。

03

数字孪生的要害使能手艺

数字孪生迅速成为热潮，，，，，，，源于数字化设计、虚拟仿真和工业互联网（工业物联网）等要害使能手艺的蓬勃生长与交织融合。。。。。

数字化设计手艺从早期的二维设计生长到三维建模，，，，，，，从三维线框造型进化到三维实体造型、特征造型，，，，，，，爆发了诸如直接建模、同步建模、混淆建模等手艺，，，，，，，以及面向修建与施工行业的BIM手艺（修建信息模子）。。。。。三维建模手艺不但用于产品设计阶段，，，，，，，并且可以实现三维工艺设计。。。。。产品的三维模子中不但包括几何信息、装配关系，，，，，，，还包括PMI（产品制造信息，，，，，，，包括尺寸、公差、形位公差、粗糙度和质料规格等信息）等制造信息，，，，，，，已经可以实现MBD（基于模子的产品界说）。。。。。

为了支持产品三维模子的快速浏览，，，，，，，可以从包括三维工艺特征的完整三维特征模子中，，，，，，，抽取出仅包括几何信息的轻量化三维模子。。。。。基于三维造型和三维显示手艺，，，，，，，虚拟现实手艺（VR）取得了蓬勃生长，，，，，，，普遍用于汽车、飞机、工厂等重大工具的虚拟体验，，，，，，，包括陶醉式虚拟现实系统Cave，，，，，，，用于产品展示和市场推广的三维渲染手艺，，，，，，，以及基于视景仿真的模拟驾驶手艺等。。。。。近年来又生长起来增强现实手艺(AR)，，，，，，，其特点是可以将实物模子和数字化模子融合在一个可视化情形之中，，，，，，，从而实现传感器数据的可视化，，，，，，，还可以举行产品操作、装拆及维修历程的三维可视化，，，，，，，实现产品操作培训、维修维护等应用。。。。。

虚拟仿真手艺从早期的有限元剖析生长到对流场、热场、电磁场等多个物理场的仿真，，，，，，，多领域物理建模，，，，，，，对振动、碰撞、噪声、爆炸等种种物理征象的仿真，，，，，，，对产品的运动仿真，，，，，，，及质料力学、弹性力学和动力学仿真，，，，，，，对产品恒久使用的疲劳仿真，，，，，，，对整个产品的系统仿真，，，，，，，以及针对注塑、铸造、焊接、折弯和冲压等种种加工工艺的仿真，，，，，，，以及装配仿真，，，，，，，资助产品实现整体性能最优的多学科仿真与优化，，，，，，，针对数控加工和工业机械人的运动仿真（其中数控仿真又可以分为仅仿真刀具轨迹，，，，，，，以及仿真整个工件、刀具和数控装备的运动），，，，，，，尚有面向工厂的装备结构、产线、物流和人因工程仿真。。。。。若是从仿真的工具来区分，，，，，，，虚拟仿真手艺可以分为产品性能仿真、制造工艺仿真和数字化工厂仿真。。。。。

在数字化设计手艺和虚拟仿真手艺生长和集成应用的历程中，，，，，，，爆发了Digital Mockup（DMU，，，，，，，数字原型）、Digital Prototyping（数字样机）、Virtual Prototype（虚拟样机）、Functional Virtual Prototype（全功效虚拟样机）等手艺，，，，，，，主要是用于实现重大产品的运动仿真、装配仿真和性能仿真。。。。。通过对数字样机举行虚拟试验，，，，，，，可以镌汰物理样机和物理试验的数目，，，，，，，从而降低产品研发和试制本钱，，，，，，，提高研发效率。。。。。

另一方面，，，，，，，随着传感器手艺和无线通讯手艺的生长，，，，，，，二十一世纪以来，，，，，，，物联网应用越来越广。。。。。除在消耗领域应用之外，，，，，，，为了支持高价值工业装备的运行监控和维修维护，，，，，，，工业物联网（IIOT）最先受到业界普遍关注。。。。。IIOT收罗的数据类型和收罗频率比通俗的物联网应用高得多，，，，，，，而应用的数学模子和剖析要领也比通俗的物联网应用重大得多。。。。。

在学术界的研究和GE、西门子等工业巨头的树模效应驱动下，，，，，，，数字孪外行艺最先受到普遍关注。。。。。2016年6月，，，，，，，我在美国加入西门子工业软件一年一度的全球媒体与剖析师聚会时，，，，，，，西门子应用了Digital Twin、Digital Thread（数字主线）等术语。。。。。我其时建议他们对这些名词术语给予诠释，，，，，，，厥后西门子给我发来对十多个名词的诠释，，，，，，，e-works专门对这些名词术语举行了翻译，，，，，，，揭晓了一篇文章。。。。。

从数字孪外行艺的生长配景可以看出，，，，，，，数字孪生模子是相关于其物理模子而言的。。。。。�？？？？？梢韵冉ㄉ枋致仙Ｗ�，，，，，，，应用数字孪生模子来举行虚拟试验，，，，，，，但最终照旧要建设物理模子，，，，，，，通过对数字孪生的剖析，，，，，，，来优化物理模子的运行。。。。。

除了上述手艺，，，，，，，工业大数据、人工智能等手艺也是数字孪生的要害使能手艺。。。。。

需要强调的是，，，，，，，数字孪生的要害使能手艺在数字孪生降生之前就已经保存。。。。。而数字孪生的应用，，，，，，，又增进了这些要害使能手艺的进一步生长。。。。。

04

产品的数字孪生

和工厂的数字孪生

差别物理实体的数字孪生应用重点差别很大。。。。。

产品数字孪生应用的重点在于重大的机电软一体化妆备，，，，，，，例如发电装备、工程机械、机械加工中心、高端医疗装备、航空发念头、飞机、卫星、船舶、轨道交通装备、电梯、通讯装备，，，，，，，以及能够实现智能互联的通讯终端产品。。。。。

在产品的设计制造生命周期，，，，，，，可以通过在实物样机上装置传感器，，，，，，，在样机测试的历程中，，，，，，，将传感器收罗的数据转达到产品的数字孪生模子，，，，，，，通过对数字孪生模子举行仿真和优化，，，，，，，从而刷新和提升最终定型产品的性能；；；；；；；；还可以通过半实物仿真的方法，，，，，，，部分零部件接纳数字孪生模子，，，，，，，部分零件接纳物理模子来举行实时仿真和试验，，，，，，，验证和优化产品性能。。。。。另一方面，，，，，，，在产品立异设计时，，，，，，，大大都零部件会重用前一代产品的零部件，，，，，，，若是老产品已经建设了要害零部件的数字孪生模子，，，，，，，同样也应当举行重用，，，，，，，从而提升新产品研发效率和质量。。。。。

产品服役的生命周期是产品的数字孪生应用最焦点的阶段。。。。。尤其是关于长寿命的重大装备，，，，，，，通过工业物联网收罗装备运行数据，，，，，，，并与其数字孪生模子在相同工况下的仿真效果举行比对，，，，，，，可以剖析出该装备的运行是否正常，，，，，，，运行绩效怎样，，，，，，，是否需要替换零部件，，，，，，，并可以团结人工智能手艺剖析装备的康健水平，，，，，，，举行故障展望等。。。。。关于高端装备产品，，，，，，，其数字孪生模子应当包括每一个实物产品服役的全生命周期数字化档案。。。。。

在产品的报废接纳再使用生命周期，，，，，，，可以凭证产品的使用履历、维修BOM和替换备品备件的纪录，，，，，，，团结数字孪生模子的仿真效果，，，，，，，来判断哪些零件可以举行再使用和再制造。。。。。例如SpaceX公司的一级火箭实现了复用，，，，，，，团结数字孪外行艺，，，，，，，可以越发准确地判断哪些零部件可以复用，，，，，，，从而大大降低了火箭发射的本钱。。。。。

工厂的数字孪生应用也分为三个方面：在新工厂建设之前，，，，，，，可以通过数字化工厂仿真手艺来对构建工厂的数字孪生模子，，，，，，，并对自动化控制系统和产线举行虚拟调试；；；；；；；；在工厂建设时代，，，，，，，数字孪生模子可以作为现场施工的指南，，，，，，，还可以应用AR等手艺在施工现场指导施工；；；；；；；；而在工厂建成之后正式运行时代，，，，，，，可以通过其数字孪生模子对实体工厂的生产装备、物流装备、检测与试验装备、产线和仪表的运行状态与绩效，，，，，，，以及生产质量、产量、能耗、工业清静等要害数据举行可视化，，，，，，，在此基础上举行剖析与优化，，，，，，，从而资助工厂提高产能、提升质量、降低能耗，，，，，，，并消除清静隐患，，，，，，，阻止清静事故。。。。。

现在，，，，，，，已有许多企业建设了生产监控与指挥系统，，，，，，，对车间举行视频监控，，，，，，，显示装备状态（停�；；；；；；；⒄！⒃ぞ捅ň龋�，，，，，，，展示种种剖析报表和图表等。。。。。构建数字孪生工厂可以进一步提升工厂运行的透明度。。。。。然而，，，，，，，要构建工厂完整的高保真数字孪生模子，，，，，，，需要工厂的修建、产线、装备和产品的数字孪生模子，，，，，，，难度很大。。。。。装备和产线的数字孪生模子构建，，，，，，，有赖于厂商提供相关数据，，，，，，，仅仅通过立体相机照相，，，，，，，通过逆向工程构建的车间三维模子精度很低，，，，，，，并且也只包括外观的三维模子。。。。。可是，，，，，，，即即是仅仅基本的示意性的低精度的工厂数字孪生模子，，，，，，，关于工厂治理者实时洞察生产、质量和能耗情形，，，，，，，尽早发明装备隐患，，，，，，，阻止非妄想停�；；；；；；；�，，，，，，，也具有适用价值。。。。。

需要强调的是，，，，，，，关于一个已经建成投产的工厂，，，，，，，在工厂运行历程中，，，，，，，其数字孪生工厂所显示的所有数据和状态信息，，，，，，，均来自真实的物理工厂，，，，，，，而非仿真效果。。。。。毫无疑问，，，，，，，要构建数字孪生工厂，，，，，，，需要实现装备数据收罗和车间联网（M2M）。。。。。

数字孪生工厂关于离散制造企业和流程制造企业都有十分主要的价值。。。。。在考察英国Aveva公司时，，，，，，，我们观摩了该公司关于化工厂和无人海上钻井平台的数字孪生应用展示，，，，，，，数字孪生应用关于工厂的清静运营具有主要意义。。。。。

产品数字孪生模子与工厂数字孪生模子在产品的制造历程中可以实现融合应用。。。。。在推进工厂的数字孪生应用时，，，，，，，若是有高保真的产品数字孪生模子，，，，，，，并且在此基础上能够构建产品的制造、装配、包装、测试等工艺的数字孪生模子，，，，，，，以及种种刀具和工装夹具的数字孪生模子，，，，，，，则可以在数字化工厂情形中，，，，，，，越发精准地对产品制造历程举行剖析和优化。。。。。

05

产品数字孪生模子的演进

和数字主线

产品的数字孪生模子是一个“一直生长、一直富厚”的历程，，，，，，，在整个产品生命周期中，，，，，，，从产品的需求信息、功效信息、质料信息、使用情形信息、结构信息、装配信息、工艺信息、测试信息到维护信息，，，，，，，一直扩展，，，，，，，一直富厚，，，，，，，一直完善。。。。。数字孪生模子越完整，，，，，，，就越能够迫近其对应的实体工具，，，，，，，从而对实体工具举行可视化、剖析、优化。。。。。

若是把产品全生命周期种种数字孪生模子比喻为散乱的珍珠，，，，，，，那么将这些珍珠串起来的链子，，，，，，，就是数字主线（Digital Thread）。。。。。数字主线不但可以串起各个阶段的数字孪生模子，，，，，，，也包括产品全生命周期的信息，，，，，，，确保在爆发变换时，，，，，，，州产品信息的一致性。。。。。

CIMdata以为，，，，，，，数字主线是一种信息交互的框架，，，，，，，能够买通原来多个竖井式的营业视角，，，，，，，连通装备生命周期数据（也就是其数字孪生模子）的互联数据流和集成视图。。。。。数字主线通过强盛的端到端的互联系统模子和基于模子的系统工程(MBSE)流程来支持和支持。。。。。波音公司开展了数字孪生和数字主线应用实践，，，，，，，提出基于模子企业（MBE）“钻石模子”。。。。。

对产品数字孪生模子的仿真剖析，，，，，，，可以发明产品泛起了什么问题。。。。。但若是要探讨为什么泛起问题，，，，，，，还需要依赖数字主线把各个阶段的数字孪生模子串起，，，，，，，来举行整合剖析。。。。。

埃森哲在其揭晓的《数字孪生：打造生力产品，，，，，，，重塑客户体验》白皮书中很是强调数字主线和数字孪生的亲近联系。。。。。所谓生力产品指的是Live Product。。。。。埃森哲以为，，，，，，，数字主线是贯串于公司各个职能部分和产品生命周期的信息流，，，，，，，涵盖产品构想、设计、供应链、制造、售后效劳等各个环节，，，，，，，以致外部的供应商、相助同伴、和客户爆发的数据，，，，，，，使其能对产品及其运行提供全景的动态信息，，，，，，，赋能数字孪生的开发和更新。。。。。数字主线使得产品设计、制造和运维历程中所使用的流程以及所爆发的数据能够链接、追溯和治理；；；；；；；；而数字孪生是在产品设计至运维的整个生命周期内，，，，，，，使用经由数字主线管控的数据对产品举行建模、对产品的性能、行为举行仿真、展望、诊断和反响。。。。。

06

数字孪生

在制造业的典范应用场景

数字孪外行艺在各个行业有普遍的应用场景。。。。。陶飞教授团队在《盘算机集成制造系统》2018年第1期刊登的“数字孪生及其应用探索”一文中，，，，，，，归纳了14种应用场景，，，，，，，厥后又在论文中先容了数字孪生在航空航天、电力、汽车、石油自然气、康健医疗、船舶航运、都会治理、智慧农业、修建建设、清静抢救、情形保�；；；；；；；さ�11个领域，，，，，，，45个细分类的应用。。。。。

e-works以为，，，，，，，数字孪生在制造业的应用远景辽阔。。。。。其中，，，，，，，产品的数字孪生应用笼罩产品的研发、工艺妄想、制造、测试、运维等各个生命周期，，，，，，，可以资助企业推进数字化营销和自助式效劳，，，，，，，有助于企业提升维护效劳收入，，，，，，，立异商业模式；；；；；；；；工厂数字孪生在工厂设计、制作，，，，，，，生产线调试、装置，，，，，，，工厂运行监控、工业清静等方面都可以对企业带来价值；；；；；；；；数字孪生在供应链治理领域也可以应用，，，，，，，例如车间物流调理、运输路径优化等。。。。。

以下先容一些数字孪生在制造业的典范应用：

① 产品的运行监控和智能运维。。。。。

关于能够实现智能互联的重大产品，，，，，，，尤其是高端智能装备，，，，，，，将实时收罗的装备运行历程中的传感器数据转达到其数字孪生模子举行仿真剖析，，，，，，，可以对装备的康健状态和故障征兆举行诊断，，，，，，，并举行故障展望；；；；；；；；若是产品运行的工况爆发改变，，，，，，，关于拟接纳的调解步伐，，，，，，，可以先对其数字孪生模子在仿真云平台上举行虚拟验证，，，，，，，若是没有问题，，，，，，，再对现实产品的运行参数举行调解。。。。。下图是ANSYS的数字孪外行艺在风电行业应用的案例。。。。。通过应用数字孪外行艺，，，，，，，可以资助风电企业阻止非妄想性停�；；；；；；；�，，，，，，，实现展望性维护和运行控制与优化。。。。。

关于航空发念头的数字孪生应用，，，，，，，由于每台发念头的航行履历差别，，，，，，，航行的情形差别，，，，，，，康健服役的寿命，，，，，，，以及维护历史差别很大，，，，，，，因此，，，，，，，应当对每台航空发念头建设其对应的数字孪生模子。。。。。GE航空关于正在空中运行的航空发念头举行实时监控，，，，，，，一旦泛起故障隐患，，，，，，，可以通过对数字孪生模子的剖析来展望危害品级，，，，，，，实时举行维修维护，，，，，，，显著提升了航行清静。。。。。GE航空通过数字孪生模子纪录了每台航空发念头每个架次的航行蹊径、承载量，，，，，，，以及差别航行员的驾驶习惯和对应的油耗，，，，，，，通太过析和优化，，，，，，，可以延伸发念头的服役周期，，，，，，，并刷新发念头的设计计划。。。。。

在数字孪生应用领域，，，，，，，GE与ANSYS公司开展了战略相助。。。。。通过数字孪外行艺的应用，，，，，，，实现产品的康健治理、远程诊断、智能维护和共享效劳。。。。。通过团结传感器数据和仿真手艺，，，，，，，资助客户剖析特定的事情条件并展望故障，，，，，，，从而节约运维本钱。。。。。GE航空通过汇总设计、制造、运行、完整航行周期的相关数据，，，，，，，展望航空发念头的性能体现：

○ 将发念头传感器数据与性能模子团结，，，，，，，凭证运行情形的转变和物剃头念头性能的衰减，，，，，，，构建自顺应模子，，，，，，，精准监测航空发念头的部件和整机性能；；；；；；；；

○ 将发念头历史维修数据中的故障模式注入三维结构模子和性能模子,构建故障模子，，，，，，，应用于故障诊断和展望；；；；；；；；

○ 将航空公司历史航行数据与性能模子团结并融合数据驱动的要领，，，，，，，构建性能展望模子，，，，，，，展望整机性能和剩余寿命；；；；；；；；

○ 将局部线性化模子与飞机运行状态情形模子融合并构建控制优化模子，，，，，，，实现发念头控制性能寻优，，，，，，，使发念头在航行历程中施展更好的性能。。。。。

西门子未来自智能传感器的温度、加速率、压力和电磁场等信号和数据，，，，，，，以及来自数字孪生模子中的多物理场模子和电磁场仿真和温度场仿真效果转达到Mindsphere平台，，，，，，，通过举行比照和评估，，，，，，，来判断产品的可用性、运行绩效和是否需要替换备件。。。。。

在重大装备的运维方面，，，，，，，可以通过AR手艺，，，，，，，基于产品的数字孪生模子天生产品操作、装配或拆卸的三维动画。。。。。在实物情形下，，，，，，，透过种种衣着装备或移动终端举行示教。。。。。PTC提供了先进易用的AR应用平台。。。。。

② 工厂运行状态的实时模拟和远程监控。。。。。

关于正在运行的工厂，，，，，，，通过其数字孪生模子可以实现工厂运行的可视化。。。。。包括生产装备现在的状态，，，，，，，在加工什么订单，，，，，，，装备和产线的OEE、产量、质量与能耗等，，，，，，，还可以定位每一台物流装备的位置和状态。。。。。关于泛起故障的装备，，，，，，，可以显示出详细的故障类型。。。。。�；；；；；；；洞镉τ檬致贤庑幸�，，，，，，，在烟草行业举行了工厂运行状态的实时模拟和远程监控实践，，，，，，，中烟集团在北京就可以实现对漫衍在各地的工厂举行远程监控。。。。。海尔、美的在工厂的数字孪生应用方面也开展了卓有效果的实践。。。。。

③ 生产线虚拟调试。。。。。

在虚拟调试领域，，，，，，，西门子公司及上海智参、广州明珞等相助同伴已开展了许多实践。。。。。虚拟调试手艺在数字化情形中建设生产线的三维结构，，，，，，，包括工业机械人、自动化装备、PLC和传感器等装备。。。。。在现场调试之前，，，，，，，可以直接在虚拟情形下，，，，，，，对生产线的数字孪生模子举行机械运动、工艺仿真和电气调试，，，，，，，让装备在未装置之前已经完成调试。。。。。

应用虚拟调试手艺，，，，，，，在虚拟调试阶段，，，，，，，将控制装备毗连到虚拟站/线；；；；；；；；完成虚拟调试后，，，，，，，控制装备可以快速切换到现实生产线；；；；；；；；可随时切换到虚拟情形，，，，，，，剖析、修正和验证正在运行的生产线上的问题，，，，，，，阻止长时间且腾贵的生产停留。。。。。

虚拟调试手艺对企业的价值体现在：早期验证优化研发+工艺+制造的可行性，，，，，，，镌汰物理样机投入本钱；；；；；；；；镌汰去用户现场做机械人调试时间和蜕化率，，，，，，，节约出差本钱；；；；；；；；虚实融合后为整个工厂的数字孪生打好基础，，，，，，，工厂建成之后可以与SCADA系统融合，，，，，，，打造基于三维模子的可视化监控系统，，，，，，，实现工厂的数字孪生。。。。。

Maplesoft公司的MapleSim平台提供了一体化的生产线虚拟调试解决计划。。。。。2019年，，，，，，，罗克韦尔自动化公司并购了Emulate3D软件，，，，，，，作为罗克韦尔Factorytalk/DesignSuite软件的一部分，，，，，，，可以实现对整个工厂自动化控制系统举行虚拟仿真和虚拟调试，，，，，，，还可以使用工厂的数字孪生模子对员工举行培训，，，，，，，降低工厂运营的危害。。。。。

④ 机电软一体化重大产品研发。。。。。

关于高度重大的机电软一体化产品，，，，，，，可以在研发阶段通过构建产品的数字孪生模子，，，，，，，并通过工程仿真手艺的应用加速产品的研发, 资助企业以更少的本钱和更快的速率将立异手艺推向市场。。。。。运用数字孪外行艺，，，，，，，能够综合使用结构、热学、电磁、流体和控制等仿真软件举行单物理场仿真和多场耦合仿真，，，，，，，对产品举行设计优化、确认和验证，，，，，，，还可以构建准确的综合仿真模子来剖析现实产品的性能，，，，，，，实现一连立异。。。。。通过团结创成设计手艺(Generative Design)、增材制造手艺、半实物仿真手艺，，，，，，，可以显著缩短产品上市周期。。。。。

GE公司以为，，，，，，，从看法设计阶段最先推进航空发念头的数字孪生应用，，，，，，，更容易地将设计和结构模子与运行数据相关联，，，，，，，同时，，，，，，，尚有助于优化设计，，，，，，，提高生产效率。。。。。精航伟泰测控仪器（北京）有限公司提供了基于模子的卫星数字孪生设计解决计划，，，，，，，可以最洪流平地将验证后的设计模子自动转化为卫星的物理实现，，，，，，，例如可以凭证相关设计模子自动天生星载软件的代码。。。。。

⑤ 数字营销。。。。。

关于尚未上市的新产品，，，，，，，通过宣布其看法阶段的数字孪生模子，，，，，，，让消耗者选择更喜欢的设计计划，，，，，，，然后再举行详细设计和制造，，，，，，，这样有助于企业提升销售业绩。。。。。同时，，，，，，，通过构建基于数字孪生模子的在线设置器，，，，，，，可以资助企业实现产品的在线选配，，，，，，，实现大批量定制。。。。。下图是比特视界(北京)科技有限公司（BITONE）为宝沃汽车开发的在线设置器，，，，，，，动感十足，，，，，，，可以审查种种设置的外观和内饰。。。。。

07

数字孪生对制造企业的应用价值

IDC在2018年5月揭晓的《数字孪生网络》报告中指出，，，，，，，到 2020 年底，，，，，，，65%的制造企业将使用数字孪生运营产品和/或资产，，，，，，，降低质量缺陷本钱和效劳交付本钱 25%。。。。。

产品数字孪生应用的价值是通过虚实融合、虚实映射，，，，，，，一连刷新产品的性能、为客户提供更好的体验，，，，，，，提高产品运行的清静性、可靠性、稳固性，，，，，，，提升产品运行的“康健度”，，，，，，，在此基础上提升产品在市场上的竞争力。。。。。同时，，，，，，，通过对产品的结构、质料、制造工艺等各方面的刷新，，，，，，，降低产品本钱，，，，，，，资助企业提高盈利能力；；；；；；；；而工厂数字孪生应用的价值主要体现在构建透明工厂，，，，，，，提升工厂的运营治理水平，，，，，，，提高整体OEE，，，，，，，降低能耗，，，，，，，增进清静生产等方面。。。。。要真正实现工厂数字孪生应用的价值，，，，，，，需要装备用户企业和装备制造企业举行深条理的相助。。。。。

GE公司对数字孪生的应用价值给出了一段经典形貌：数字孪生通过海量的设计、制造、检测、维修、在线传感器及运营数据来建设和获守信息，，，，，，，运用一系列高保真的盘算的和基于物理实体的模子，，，，，，，以及高级剖析要领来展望资产装备在其全生命周期的康健和绩效。。。。。数字孪生模子的准确水平随着时间推移，，，，，，，通过更大都据来对模子举行精炼，，，，，，，以及类似装备安排其数字孪生应用而提升。。。。。模子随着数据的一连收罗而一直修正。。。。。数字孪生模子提供了装备的详细知识，，，，，，，展望对种种可能场景的应对情形，，，，，，，并作为实时参照来构建种种应用系统，，，，，，，以实现优化种种效劳，，，，，，，提高绩效和效率，，，，，，，改善运维、供应链和营业运营等营业价值。。。。。[8]

数字孪外行艺最早的提倡者之一，，，，，，，NASA国家先进制造中心主任John Vickers以为：“数字孪生模子的最终目的是在虚拟情形中建设、测试和生产所需装备。。。。。只有当它知足918官网需求时，，，，，，，才举行实体生产。。。。。然后，，，，，，，又将实体生产历程通过传感器转达给数字孪生模子，，，，，，，以确保数字孪生模子包括我们对实体产品举行检测所能够获得的所有信息。。。。。”

另一篇GE揭晓于2015年的文章指出：数字孪生模子的优势是通过团结从设计到实时收罗装备的数据等相关信息，，，，，，，来对装备在全生命周期举行优化。。。。。不但可以降低原型设计或制造的本钱，，，，，，，并且可以通过将实时数据导入数字孪生模子举行剖析，，，，，，，从而展望故障，，，，，，，降低维护本钱，，，，，，，镌汰停�；；；；；；；奔�。。。。。

08

数字孪生的推进战略

e-works以为，，，，，，，数字孪生是制造业推进数字化转型和智能制造的战略行动和现实途径之一。。。。。关于制造企业而言，，，，，，，推进数字孪生应用需要建设明确的目的，，，，，，，以价值为导向，，，，，，，建设跨部分的推进组织，，，，，，，团结IT、自动化、研发、仿真、工艺、测试、装备运维等部分的团队，，，，，，，并引入专业咨询机构，，，，，，，务实推进。。。。。

数字孪生应用是IT/OT融合的典范应用，，，，，，，要实现虚实映射，，，，，，，需要搭建工业互联网平台，，，，，，，明确应用工具的重点是企业生产的产品，，，，，，，照旧工厂，，，，，，，亦或是供应链；；；；；；；；面向产品的数字孪生应用重点是支持产品研发、市场推广照旧运营维护；；；；；；；；面向工厂的数字孪生应用重点是工厂或产线建设时代的虚拟调试，，，，，，，照旧工厂运营阶段的可视化与优化。。。。。同时，，，，，，，企业需要建设全三维设计、仿真驱动设计的手艺基础和组织系统。。。。。推进数字孪生需要制订整体妄想，，，，，，，但团结详细目的，，，，，，，分步实验，，，，，，，不可搞“大而全”的应用。。。。。推进数字孪生应用必需合理把控危害。。。。。

在数字孪生的现实应用当中，，，，，，，不可能，，，，，，，也没有须要盲目追求所有数字孪生模子的“高保真”。。。。。由于保真度的提升意味着构建数字孪生模子的难度和本钱的大幅度提升，，，，，，，同时，，，，，，，对数字孪生模子举行剖析的重大性和耗时也会迅速攀升。。。。。数字孪生模子越重大，，，，，，，也就越难以实现虚实映射的实时性。。。。。在现实应用当中，，，，，，，对所有零部件的多物理场都举行重大的三维仿真耗时很长，，，，，，，往往会举行降阶处置惩罚，，，，，，，通过一维仿真对产品的整体性能举行剖析。。。。。因此，，，，，，，企业需要凭证现实应用需求和性能价钱比来选择构建差别保真度的数字孪生模子。。。。。

09

数字孪生

在制造业的应用远景展望

近期，，，，，，，关于数字孪生的讨论和争论许多，，，，，，，这有利于制造企业准确明确和推进数字孪生的应用。。。。。e-works以为，，，，，，，数字孪生是一个既具有前瞻性，，，，，，，又易于被各界明确的立异理念，，，，，，，数字孪生这个术语自己的“生命周期”会很长，，，，，，，而不是短期盛行的时髦词汇(Buzzword)。。。。。数字孪心理念经由看法炒作阶段之后，，，，，，，会逐渐走向务实推进的阶段。。。。。

现在，，，，，，，围绕数字孪外行艺的讨论更多地还集中在看法探讨阶段，，，，，，，我国制造企业真正开展的现实应用还处于初期阶段。。。。。正如前一阶段各方面热议，，，，，，，工业互联网缺乏“杀手级”应用一样，，，，，，，企业也应该在产品数字孪生和工厂数字孪生领域找到自己的“杀手级”应用。。。。。

纵然没有数字孪生，，，，，，，许多装备制造企业也已经最先通过工业互联网（工业物联网）平台，，，，，，，对正在服役的装备举行远程监控，，，，，，，并使用工业大数据和人工智能手艺举行展望性维护。。。。。那么，，，，，，，通过数字孪外行艺实现虚实融合，，，，，，，可以进一步通过对这些装备运行历程的实时仿真和优化，，，，，，，提升装备运行绩效，，，，，，，阻止异常事故。。。。。同样，，，，，，，纵然没有数字孪生，，，，，，，许多制造企业也在建设生产监控与指挥系统，，，，，，，实现工厂的可视化、透明化。。。。。那么，，，，，，，通过数字孪外行艺实现虚实映射，，，，，，，可以越发精准地把控工厂、车间、产线和装备的生产、能耗、质量、物流供应的实时状态，，，，，，，从而提升工厂的运行绩效，，，，，，，阻止装备非妄想性停�；；；；；；；�。。。。。因此，，，，，，，数字孪生应用给制造企业带来的价值是实着实在的。。。。。

e-works建议，，，，，，，制造企业应当组织针对数字孪生的培训，，，，，，，深入研究数字孪生的理念，，，，，，，数字孪生相关产品息争决计划，，，，，，，团结自身的工业特点和现实需求，，，，，，，找到数字孪生应用的突破口。。。。。在此基础上，，，，，，，制订数字孪生应用妄想。。。。。

数字孪生应用，，，，，，，长路漫漫，，，，，，，但路就在脚下！从数字孪生应用中获益的时机，，，，，，，属于有准备的企业！

“注：本文的第八部分主要由e-works首席记者王阳撰写。。。。。在本文撰写历程中，，，，，，，获得了李培根院士的指导，，，，，，，并多次向陶飞教授讨教，，，，，，，也与赵敏、彭慧等专家举行了探讨交流，，，，，，，在此深表谢谢！

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