“數字雙胞胎”與(yu) 建模仿真技術曾被稱作智能製造業(ye) 的下一波浪潮，工業(ye) 4.0也要求，若要虛和實的互動以及相互增強，數字化模型必須先出現。

什麽(me) 是數字雙胞胎

“數字化雙胞胎”（Digital Twin）是指以數字化方式拷貝一個(ge) 物理對象，模擬對象在現實環境中的行為(wei) ，對產(chan) 品、製造過程乃至整個(ge) 工廠進行虛擬仿真，從(cong) 而提高製造企業(ye) 產(chan) 品研發、製造的生產(chan) 效率。

所有“產(chan) 品”最早是人類大腦裏的一個(ge) 模糊概念，在沒有數字化模型幫助的情況下，要打造出一件產(chan) 品或一套生產(chan) 流程，必然會(hui) 經曆多次迭代設計，有時候僅(jin) 僅(jin) 為(wei) 了驗證產(chan) 品的某一個(ge) 尺寸，部件之間的裝配關(guan) 係，流程的某一環節，就不得不製造出很多個(ge) 中間產(chan) 品或重新設計流程（被稱為(wei) 打樣），耗費大量時間、金錢和人力。采用數字化模型的設計技術（常指CAD技術，即數字化輔助設計），就可在虛擬的三維數字空間裏從(cong) 無到有地創造出部件和產(chan) 品以及工藝流程。在虛擬的三維空間裏，可以輕鬆的修改部件和產(chan) 品的每一處尺寸和裝配關(guan) 係，使得產(chan) 品幾何結構的驗證工作、裝配可行性的驗證工作、流程的可實行性大為(wei) 簡單，因此可以大幅度減少迭代過程中的物理樣機的製造次數，時間，成本。除此之外，專(zhuan) 門的電路CAD設計技術可以根據電路以及器件的原理，在三維數字空間設計出電路，並且也可以進行虛擬的驗證和迭代設計。同樣也可以大幅度減少製造物理樣機的代價(jia) 。這就是數字化模型一定會(hui) 早於(yu) 物理實體(ti) 產(chan) 品出現的原因。實際上，在最終的產(chan) 品製造出來之前，有很多個(ge) 數字化模型代表著產(chan) 品迭代的各個(ge) 階段。這些模型或者其中的一部分，仍然有可能被以後的型號或者產(chan) 品線所采用，這也是數字化模型的一個(ge) 附加好處。



建模仿真的“前世今生”

建模仿真最早來源於(yu) 上世紀60年代至70年代的計算機語言編寫(xie) 的數字算法，當時隻是簡單的用於(yu) 計算特定物理現象，解決(jue) 設計問題；之後的二十年，隨著工作站和微機的普及以及計算能力的提高，仿真技術的應用逐漸遍及各個(ge) 學科和不同層麵；而且不會(hui) 停留在設計階段，正在向產(chan) 品和係統的全生命周期擴展，構成與(yu) 實體(ti) 形影不離的“數字雙胞胎”。由於(yu) 仿真能夠在產(chan) 品生命周期提供無縫協助和優(you) 化，將會(hui) 成為(wei) 製造體(ti) 係的核心功能之一，未來智能工廠是基於(yu) 模型的係統工程或基於(yu) 模型的製造，軟件定義(yi) 產(chan) 品、決(jue) 定企業(ye) 盛衰，仿真技術製造係統關(guan) 鍵組成部分的黃金時代才剛剛開始。Gartner預測，到2021年，全球50％的大型工業(ye) 公司將使用數字雙胞胎，從(cong) 而使這些組織的效率提高10％，尤其是製造業(ye) 和工程行業(ye) 的公司，如果想要在競爭(zheng) 中保持領先地位，就需要考慮實施數字雙胞胎。

製造業(ye) 是目前數字雙胞胎最常用的行業(ye) ，按時向客戶提供保質保量的產(chan) 品對製造企業(ye) 至關(guan) 重要，如果機器的運轉不能協同並以適當的容量工作，就回影響員工、生產(chan) 、可交付性以及最終客戶的滿意度；采取實時監控、不中斷生產(chan) 的情況下進行測試、並且能夠在設施中收集的數百萬(wan) 個(ge) 數字據點獲得更多信息，數字雙胞胎使製造企業(ye) 更加智能。

在德勤的一份案例研究中，一家工業(ye) 製造企業(ye) 決(jue) 定采用數字雙胞胎方法，來解決(jue) 其在現場遇到的問題，從(cong) 而解決(jue) 維護費用和客戶延遲交付。製造企業(ye) 收集了設備以及正在生產(chan) 的產(chan) 品數據，來研究裝配過程及其與(yu) 產(chan) 品質量的關(guan) 係。因此，該項目能夠識別低效率並優(you) 化裝配流程，將返工率降低了15％至20％。

數字雙胞胎的國內(nei) 現狀

最早在市場上提出“數字化雙胞胎”模型概念的是西門子，基於(yu) 模型的虛擬企業(ye) 和基於(yu) 自動化技術的現實企業(ye) 的“數字化雙胞胎”（Digital Twins），包括“產(chan) 品數字化雙胞胎”、“生產(chan) 工藝流程數字化雙胞胎”和“設備數字化雙胞胎”，三個(ge) 層麵又高度集成為(wei) 一個(ge) 統一的數據模型，並通過數字化助力企業(ye) 整合橫向和縱向價(jia) 值鏈，提供工業(ye) 生態係統重塑和實現“工業(ye) 4.0”自下而上的切實之路。

數字雙胞胎的引入國內(nei) 僅(jin) 僅(jin) 幾年時間，目前處於(yu) 初步探索與(yu) 實踐環節，距離廣泛應用還有很長的路要走；目前數字雙胞胎技術還麵臨(lin) 著諸多難題，主要可分為(wei) 三類：一是高仿真度，高保真度的仿真建模是構建數字雙胞胎體(ti) 係的關(guan) 鍵，數字雙胞胎作為(wei) 物理實體(ti) 在數字空間的超寫(xie) 實動態模型，產(chan) 品虛擬模型的高精度性、多物理場建模、高保真度響應模擬等是首要解決(jue) 的技術難題。二是數據收集，由於(yu) 數字孿生技術的應用以海量數據為(wei) 基礎，並且是基於(yu) 全要素、全生命周期的數據，而有關(guan) 這些數據所涉及的先進傳(chuan) 感器技術、自適應感知、精確控製與(yu) 執行技術等難題急需攻關(guan) 。三是實時監測與(yu) 健康預測技術也尚待完善，實時和預測是數字孿生的核心要素，一方麵物理產(chan) 品的數據動態實時反映在數字孿生體(ti) 係中，另一方麵，數字孿生基於(yu) 感知的大數據進行分析決(jue) 策，進而控製物理產(chan) 品，而其中離不開相應的高實時性數據交互、高置信度仿真預測、超級計算能力等技術能力。此外，新的設計檢驗方法仍需進一步探索，使物理模式的實驗結果更準確、更接近真實的工況，為(wei) 數字孿生體(ti) 的推演提供可靠的數據支撐。

目前中國製造業(ye) 正處於(yu) 轉型升級的關(guan) 鍵時期，通過物聯網、大數據、人工智能和實體(ti) 經濟深度融合，使得中國製造競爭(zheng) 力得到大幅提升。未來，數字雙胞胎也可結合物聯網的數據采集、大數據處理和人工智能建模分析，實現對過去發生問題的診斷、當前狀態的評估以及未來趨勢的預測，並給予分析結果，模擬各種可能性，提供更全麵的決(jue) 策支持。

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