浅谈工业制造中的数字孪生

畅想一下数字孪生

开车的人都怕遇到这种情况：车辆在野外突然抛锚，自己不会修，附近也没维修店。如果这辆车配有一个数字孪生系统，与它一同运转，实时显示车辆各部分运行状况，提前告知可能会出现的故障以进行维护，那么就能减少车辆意外抛锚情况的发生。

这项功能被称为“预测性维护”，是数字孪生技术的重要优势。数字孪生针对物理空间中的“实体”，与“实体”对应，采用数字孪生技术创建的虚拟模型也称为“虚体”( 等同“数字孪生体”)，也就是指物理空间中的对象在虚拟空间中的数字模型。

该模型通过传感器随时获取真实物体的数据，并随之一起演变、成熟甚至衰老。利用该模型，人们可以对物理对象进行分析、预测、诊断或者训练，从而优化和决策。这个数字模型就像是真实物体的孪生兄弟，因而得名。小到一颗螺丝钉，大到一座城市，物理世界中的各种事物均可拥有数字孪生模型。

数字孪生的起源

这里主要探讨生产制造中产品的数字孪生技术，实际上，数字孪生概念也是基于产品全生命周期管理提出来的。从全生命周期的观点看，将制造分为规划设计、生产制造和运行服务3 个阶段。

2003 年密歇根大学教授Dr. Michael Grieves 在产品全生命周期管理PLM 课程的文档中提出了“与物理产品等价的虚拟数字化表达”的概念，包括了物理空间的实体产品、数字空间的虚拟产品及两者之间的数据和信息过程接口，把虚拟产品从设计阶段带入到制造和运行的全生命周期，这被认为是数字孪生概念的雏形。

广义上讲数字孪生就是用来在虚拟空间中建立有形的物理空间孪生体的技术。

工业制造中的数字孪生

在规划设计阶段人们已利用计算机建立物理实体的模型进行仿真，随着CAD 及仿真技术的发展，不仅要求“模型”在离线时更加逼真全面的代表实体，而且在在线时能够实时反映实体的状态，特别是能提前预测出实体的状态。

智能制造包含设计、生产和运维阶段的时间维度，数字孪生技术应用各有区别。

（1）设计阶段。人们经过协同设计，完成产品的设计工作，创建产品的设计模型 ——数字孪生体。可利用虚拟使用环境，对可制造性、可实用性进行仿真验证，之后可进入生产阶段。

（2）生产阶段。产品制造是虚实融合的过程，物理工厂的数字孪生运行在云平台的虚拟空间中，同时，物理设备及由传感器组成的物联网IoT通过低时延网络如时间敏感性网络TSN\5G等进行数据交换。通过模型交互得到预测数据，在控制周期中完成对加工过程的优化控制。

（3）运维阶段。数字孪生体既满足对产品使用状态的实时监控，在云平台上对产品功能和性能进行分析、预测，对问题进行预警；也可以在操作培训和使用指导方面，借助虚实融合技术数字孪生也能提供更加逼真的效果。

总而言之，数字孪生技术在产品全生命周期的各个阶段有其不同的体现和作用，在以工业互联网为架构平台的智能制造系统中，数字虚体主要生存在云平台层，其面向控制维度的模型布置在边缘层，参与实时控制。

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