“數(shù)字雙胞胎”與建模仿真技(jì)術(shù)曾被稱作(zuò)智能制(zhì)造業的下一波浪潮，工業4.0也要求，若要虛和(hé)實的互動以及相互增強，數(shù)字化模型必須先出現。

什麽是數(shù)字雙胞胎

“數(shù)字化雙胞胎”（Digital Twin）是指以數(shù)字化方式拷貝一個(gè)物理(lǐ)對象，模拟對象在現實環境中的行(xíng)為(wèi)，對産品、制(zhì)造過程乃至整個(gè)工廠進行(xíng)虛拟仿真，從而提高(gāo)制(zhì)造企業産品研發、制(zhì)造的生(shēng)産效率。

所有(yǒu)“産品”最早是人(rén)類大(dà)腦(nǎo)裏的一個(gè)模糊概念，在沒有(yǒu)數(shù)字化模型幫助的情況下，要打造出一件産品或一套生(shēng)産流程，必然會(huì)經曆多(duō)次叠代設計(jì)，有(yǒu)時(shí)候僅僅為(wèi)了驗證産品的某一個(gè)尺寸，部件之間(jiān)的裝配關系，流程的某一環節，就不得(de)不制(zhì)造出很(hěn)多(duō)個(gè)中間(jiān)産品或重新設計(jì)流程（被稱為(wèi)打樣），耗費大(dà)量時(shí)間(jiān)、金錢(qián)和(hé)人(rén)力。采用數(shù)字化模型的設計(jì)技(jì)術(shù)（常指CAD技(jì)術(shù)，即數(shù)字化輔助設計(jì)），就可(kě)在虛拟的三維數(shù)字空(kōng)間(jiān)裏從無到有(yǒu)地創造出部件和(hé)産品以及工藝流程。在虛拟的三維空(kōng)間(jiān)裏，可(kě)以輕松的修改部件和(hé)産品的每一處尺寸和(hé)裝配關系，使得(de)産品幾何結構的驗證工作(zuò)、裝配可(kě)行(xíng)性的驗證工作(zuò)、流程的可(kě)實行(xíng)性大(dà)為(wèi)簡單，因此可(kě)以大(dà)幅度減少(shǎo)叠代過程中的物理(lǐ)樣機的制(zhì)造次數(shù)，時(shí)間(jiān)，成本。除此之外，專門(mén)的電(diàn)路CAD設計(jì)技(jì)術(shù)可(kě)以根據電(diàn)路以及器(qì)件的原理(lǐ)，在三維數(shù)字空(kōng)間(jiān)設計(jì)出電(diàn)路，并且也可(kě)以進行(xíng)虛拟的驗證和(hé)叠代設計(jì)。同樣也可(kě)以大(dà)幅度減少(shǎo)制(zhì)造物理(lǐ)樣機的代價。這就是數(shù)字化模型一定會(huì)早于物理(lǐ)實體(tǐ)産品出現的原因。實際上(shàng)，在最終的産品制(zhì)造出來(lái)之前，有(yǒu)很(hěn)多(duō)個(gè)數(shù)字化模型代表着産品叠代的各個(gè)階段。這些(xiē)模型或者其中的一部分，仍然有(yǒu)可(kě)能被以後的型号或者産品線所采用，這也是數(shù)字化模型的一個(gè)附加好處。

建模仿真的“前世今生(shēng)”

建模仿真最早來(lái)源于上(shàng)世紀60年代至70年代的計(jì)算(suàn)機語言編寫的數(shù)字算(suàn)法，當時(shí)隻是簡單的用于計(jì)算(suàn)特定物理(lǐ)現象，解決設計(jì)問題；之後的二十年，随着工作(zuò)站(zhàn)和(hé)微機的普及以及計(jì)算(suàn)能力的提高(gāo)，仿真技(jì)術(shù)的應用逐漸遍及各個(gè)學科和(hé)不同層面；而且不會(huì)停留在設計(jì)階段，正在向産品和(hé)系統的全生(shēng)命周期擴展，構成與實體(tǐ)形影(yǐng)不離的“數(shù)字雙胞胎”。由于仿真能夠在産品生(shēng)命周期提供無縫協助和(hé)優化，将會(huì)成為(wèi)制(zhì)造體(tǐ)系的核心功能之一，未來(lái)智能工廠是基于模型的系統工程或基于模型的制(zhì)造，軟件定義産品、決定企業盛衰，仿真技(jì)術(shù)制(zhì)造系統關鍵組成部分的黃金時(shí)代才剛剛開(kāi)始。Gartner預測，到2021年，全球50％的大(dà)型工業公司将使用數(shù)字雙胞胎，從而使這些(xiē)組織的效率提高(gāo)10％，尤其是制(zhì)造業和(hé)工程行(xíng)業的公司，如果想要在競争中保持領先地位，就需要考慮實施數(shù)字雙胞胎。

制(zhì)造業是目前數(shù)字雙胞胎最常用的行(xíng)業，按時(shí)向客戶提供保質保量的産品對制(zhì)造企業至關重要，如果機器(qì)的運轉不能協同并以适當的容量工作(zuò)，就回影(yǐng)響員工、生(shēng)産、可(kě)交付性以及最終客戶的滿意度；采取實時(shí)監控、不中斷生(shēng)産的情況下進行(xíng)測試、并且能夠在設施中收集的數(shù)百萬個(gè)數(shù)字據點獲得(de)更多(duō)信息，數(shù)字雙胞胎使制(zhì)造企業更加智能。

在德勤的一份案例研究中，一家(jiā)工業制(zhì)造企業決定采用數(shù)字雙胞胎方法，來(lái)解決其在現場(chǎng)遇到的問題，從而解決維護費用和(hé)客戶延遲交付。制(zhì)造企業收集了設備以及正在生(shēng)産的産品數(shù)據，來(lái)研究裝配過程及其與産品質量的關系。因此，該項目能夠識别低(dī)效率并優化裝配流程，将返工率降低(dī)了15％至20％。

數(shù)字雙胞胎的國內(nèi)現狀

最早在市場(chǎng)上(shàng)提出“數(shù)字化雙胞胎”模型概念的是西門(mén)子，基于模型的虛拟企業和(hé)基于自動化技(jì)術(shù)的現實企業的“數(shù)字化雙胞胎”（Digital Twins），包括“産品數(shù)字化雙胞胎”、“生(shēng)産工藝流程數(shù)字化雙胞胎”和(hé)“設備數(shù)字化雙胞胎”，三個(gè)層面又高(gāo)度集成為(wèi)一個(gè)統一的數(shù)據模型，并通(tōng)過數(shù)字化助力企業整合橫向和(hé)縱向價值鏈，提供工業生(shēng)态系統重塑和(hé)實現“工業4.0”自下而上(shàng)的切實之路。

數(shù)字雙胞胎的引入國內(nèi)僅僅幾年時(shí)間(jiān)，目前處于初步探索與實踐環節，距離廣泛應用還(hái)有(yǒu)很(hěn)長的路要走；目前數(shù)字雙胞胎技(jì)術(shù)還(hái)面臨着諸多(duō)難題，主要可(kě)分為(wèi)三類：一是高(gāo)仿真度，高(gāo)保真度的仿真建模是構建數(shù)字雙胞胎體(tǐ)系的關鍵，數(shù)字雙胞胎作(zuò)為(wèi)物理(lǐ)實體(tǐ)在數(shù)字空(kōng)間(jiān)的超寫實動态模型，産品虛拟模型的高(gāo)精度性、多(duō)物理(lǐ)場(chǎng)建模、高(gāo)保真度響應模拟等是首要解決的技(jì)術(shù)難題。二是數(shù)據收集，由于數(shù)字孿生(shēng)技(jì)術(shù)的應用以海量數(shù)據為(wèi)基礎，并且是基于全要素、全生(shēng)命周期的數(shù)據，而有(yǒu)關這些(xiē)數(shù)據所涉及的先進傳感器(qì)技(jì)術(shù)、自适應感知、精确控制(zhì)與執行(xíng)技(jì)術(shù)等難題急需攻關。三是實時(shí)監測與健康預測技(jì)術(shù)也尚待完善，實時(shí)和(hé)預測是數(shù)字孿生(shēng)的核心要素，一方面物理(lǐ)産品的數(shù)據動态實時(shí)反映在數(shù)字孿生(shēng)體(tǐ)系中，另一方面，數(shù)字孿生(shēng)基于感知的大(dà)數(shù)據進行(xíng)分析決策，進而控制(zhì)物理(lǐ)産品，而其中離不開(kāi)相應的高(gāo)實時(shí)性數(shù)據交互、高(gāo)置信度仿真預測、超級計(jì)算(suàn)能力等技(jì)術(shù)能力。此外，新的設計(jì)檢驗方法仍需進一步探索，使物理(lǐ)模式的實驗結果更準确、更接近真實的工況，為(wèi)數(shù)字孿生(shēng)體(tǐ)的推演提供可(kě)靠的數(shù)據支撐。

目前中國制(zhì)造業正處于轉型升級的關鍵時(shí)期，通(tōng)過物聯網、大(dà)數(shù)據、人(rén)工智能和(hé)實體(tǐ)經濟深度融合，使得(de)中國制(zhì)造競争力得(de)到大(dà)幅提升。未來(lái)，數(shù)字雙胞胎也可(kě)結合物聯網的數(shù)據采集、大(dà)數(shù)據處理(lǐ)和(hé)人(rén)工智能建模分析，實現對過去發生(shēng)問題的診斷、當前狀态的評估以及未來(lái)趨勢的預測，并給予分析結果，模拟各種可(kě)能性，提供更全面的決策支持。