數(shù)字科技｜數(shù)字孿生與智能制造

數(shù)字孿生發(fā)展背景

● 2003年，關(guān)于數(shù)字孿生（Digital Twin）的設(shè)想首先出現(xiàn)于Grieves教授在美國(guó)密西根大學(xué)的產(chǎn)品生命全周期管理課程上。盡管當(dāng)時(shí)“Digital Twin”一詞還未正式提出，但其基本思想已經(jīng)有所體現(xiàn)，即在虛擬空間構(gòu)建的數(shù)字模型與物理實(shí)體交互映射，忠實(shí)地描述物理實(shí)體全生命周期的運(yùn)行軌跡。

● 2010年，“Digital Twin”一詞在NASA的技術(shù)報(bào)告中被正式提出，并被定義為“集成了多物理量、多尺度、多概率的系統(tǒng)或飛行器仿真過(guò)程”；2011年，美國(guó)空軍探索了數(shù)字孿生在飛行器健康管理中的應(yīng)用，并詳細(xì)探討了實(shí)施數(shù)字孿生的技術(shù)挑戰(zhàn)；2012年，NASA和美國(guó)空軍聯(lián)合發(fā)表了數(shù)字孿生論文，指出數(shù)字孿生是驅(qū)動(dòng)未來(lái)飛行器發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

● 近年來(lái)，數(shù)字孿生得到越來(lái)越廣泛的傳播。同時(shí)得益于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、AI等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生的實(shí)施已逐漸成為可能?，F(xiàn)階段，除航空航天領(lǐng)域，數(shù)字孿生已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。特別是智能制造領(lǐng)域，數(shù)字孿生被認(rèn)為是一種實(shí)現(xiàn)制造信息世界與物理世界交互融合的有效手段。

數(shù)字孿生概念定義

● 標(biāo)準(zhǔn)化組織中的定義：數(shù)字孿生是具有數(shù)據(jù)連接的特定物理實(shí)體或過(guò)程的數(shù)字化表達(dá)，該數(shù)據(jù)連接可以保證物理狀態(tài)和虛擬狀態(tài)之間的同速率收斂，并提供物理實(shí)體或流程過(guò)程的整個(gè)生命周期的集成視圖，有助于優(yōu)化整體性能。

● 學(xué)術(shù)界的定義：數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬實(shí)體，借助歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及算法模型等，模擬、驗(yàn)證、預(yù)測(cè)、控制物理實(shí)體全生命周期過(guò)程的技術(shù)手段。（陶飛、劉蔚然等）

● 企業(yè)界的定義：數(shù)字孿生是資產(chǎn)和流程的軟件表示，用于理解、預(yù)測(cè)和優(yōu)化績(jī)效以實(shí)現(xiàn)改善的業(yè)務(wù)成果。數(shù)字孿生有三部分組成：數(shù)據(jù)模型，一組分析或算法，以及知識(shí)。（通用電氣，什么是數(shù)字孿生）

數(shù)字孿生重要概念

● 數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)

數(shù)字孿生生態(tài)系統(tǒng)由基礎(chǔ)支撐層、數(shù)據(jù)互動(dòng)層、模型構(gòu)建與仿真分析層、共性應(yīng)用層和行業(yè)應(yīng)用層組成。

● 數(shù)字孿生生命周期過(guò)程

數(shù)字孿生中虛擬實(shí)體的生命周期包括起始、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)、驗(yàn)證與確認(rèn)、部署、操作與監(jiān)控、重新評(píng)估和退役，物理實(shí)體的生命周期包括驗(yàn)證與確認(rèn)、部署、操作與監(jiān)控、重新評(píng)估和回收利用。

值得指出的是，一是虛擬實(shí)體在全生命周期過(guò)程中與物理實(shí)體的相互作用是持續(xù)的，在虛擬實(shí)體和物理實(shí)體共存的階段，兩者應(yīng)保持相互關(guān)聯(lián)并相互作用；二是虛擬實(shí)體區(qū)別于物理實(shí)體的生命周期過(guò)程中，存在迭代的過(guò)程。虛擬實(shí)體在驗(yàn)證與確認(rèn)、部署、操作與監(jiān)控、重新評(píng)估等環(huán)節(jié)發(fā)生的變化，可以迭代反饋至設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)。

● 數(shù)字孿生功能視角

從數(shù)字孿生功能視角，可以看到數(shù)字孿生應(yīng)用需要在基礎(chǔ)設(shè)施的支撐下實(shí)現(xiàn)。物理世界的產(chǎn)品、服務(wù)或過(guò)程數(shù)據(jù)也會(huì)同步到虛擬世界中，虛擬世界中的模型和數(shù)據(jù)會(huì)和過(guò)程應(yīng)用進(jìn)行交互。向過(guò)程應(yīng)用輸入激勵(lì)和物理世界信息，可以得到包括優(yōu)化、預(yù)測(cè)、仿真、監(jiān)控、分析等功能的輸出。

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智能制造數(shù)字孿生應(yīng)用概述

智能制造領(lǐng)域數(shù)字孿生體系框架主要分為“基礎(chǔ)支撐層”、“數(shù)據(jù)互動(dòng)層”、“模型構(gòu)建層”、“仿真分析層”、“功能層”、“應(yīng)用層”六個(gè)層次。

基礎(chǔ)支撐層

通過(guò)傳感器檢測(cè)獲取物理過(guò)程及其環(huán)境的關(guān)鍵數(shù)據(jù)；

數(shù)據(jù)互動(dòng)層

包含工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)數(shù)字傳輸（5G將為數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐）和交互與協(xié)同（虛擬實(shí)體實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)映射物理實(shí)體的狀態(tài)，在虛擬空間通過(guò)仿真驗(yàn)證控制效果，根據(jù)產(chǎn)生的洞察反饋至物理資產(chǎn)和數(shù)字流程，形成數(shù)字孿生的落地閉環(huán)）；

數(shù)據(jù)建模和仿真層

數(shù)字孿生由一個(gè)或多個(gè)單元級(jí)數(shù)字孿生按層次逐級(jí)復(fù)合而成，因此需要對(duì)實(shí)體對(duì)象按照系統(tǒng)層次解耦，進(jìn)行多尺度的數(shù)字孿生建模；目前建立仿真模型主要有基于知識(shí)建模、基于機(jī)理建模和基于數(shù)據(jù)建模三種方式，但各有利弊。

工業(yè)仿真軟件，主要是指計(jì)算機(jī)輔助工程CAE（Computer Aided Engineering）軟件。目前中國(guó)CAE軟件市場(chǎng)基本被外資產(chǎn)品壟斷，如ANSYS，?？怂箍怠⑽鏖T(mén)子、達(dá)索等。

功能層實(shí)現(xiàn)

數(shù)字孿生功能實(shí)現(xiàn)層是數(shù)字孿生系統(tǒng)最核心的功能價(jià)值體現(xiàn)，利于數(shù)據(jù)建模得到的模型和數(shù)據(jù)分析結(jié)果實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，實(shí)時(shí)反映物理系統(tǒng)的詳細(xì)情況，實(shí)現(xiàn)輔助決策，提升物理系統(tǒng)在壽命周期內(nèi)的性能表現(xiàn)和用戶體驗(yàn)。已有一些軟件服務(wù)商通過(guò)提高數(shù)字孿生能力提高他們的應(yīng)用能力，為客戶提供垂直細(xì)分市場(chǎng)的解決方案。

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