「 1. 數(shù)字孿生的概念 」

全球最具權(quán)威的IT研究與顧問咨詢公司Gartner在2019年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)中將數(shù)字孿生作為重要技術(shù)之一，其對(duì)數(shù)字孿生的描述為：數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)世界實(shí)體或系統(tǒng)的數(shù)字化體現(xiàn)。

圖1 數(shù)字孿生最初概念模型及其術(shù)語(yǔ)名詞的前身——PLM的概念化理想

關(guān)于數(shù)字孿生的定義很多。陶飛教授在自然雜志的評(píng)述中認(rèn)為，數(shù)字孿生作為實(shí)現(xiàn)虛實(shí)之間雙向映射、動(dòng)態(tài)交互、實(shí)時(shí)連接的關(guān)鍵途徑，可將物理實(shí)體和系統(tǒng)的屬性、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、性能、功能和行為映射到虛擬世界，形成高保真的動(dòng)態(tài)多維／多尺度／多物理量模型，為觀察物理世界、認(rèn)識(shí)物理世界、理解物理世界、控制物理世界、改造物理世界提供了一種有效手段。

CIMdata推薦的定義是：“數(shù)字孿生（即數(shù)字克?。菏腔谖锢韺?shí)體的系統(tǒng)描述，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)跨越整個(gè)系統(tǒng)生命周期可信來(lái)源的數(shù)據(jù)、模型和信息進(jìn)行創(chuàng)建、管理和應(yīng)用。”此定義簡(jiǎn)單，但若沒有真正理解其中的關(guān)鍵詞（系統(tǒng)描述，生命周期，可信來(lái)源，模型），則可能產(chǎn)生誤解。

「 2. 數(shù)字孿生的模型 」

1）數(shù)字孿生的概念模型

基于數(shù)字孿生的文字定義，圖2給出數(shù)字孿生的五維概念模型。

圖2 數(shù)字孿生五維概念模型

數(shù)字孿生五維概念模型是一個(gè)通用的參考架構(gòu)，能適用不同領(lǐng)域的不同應(yīng)用對(duì)象。其次，它的五維結(jié)構(gòu)能與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新信息技術(shù)集成與融合，滿足信息物理系統(tǒng)集成、信息物理數(shù)據(jù)融合、虛實(shí)雙向連接與交互等需求。再次，孿生數(shù)據(jù)（DD）集成融合了信息數(shù)據(jù)與物理數(shù)據(jù)，滿足信息空間與物理空間的一致性與同步性需求，能提供更加準(zhǔn)確、全面的全要素/全流程/全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)支持。服務(wù)（Ss）對(duì)數(shù)字孿生應(yīng)用過(guò)程中面向不同領(lǐng)域、不同層次用戶、不同業(yè)務(wù)所需的各類數(shù)據(jù)、模型、算法、仿真、結(jié)果等進(jìn)行服務(wù)化封裝，并以應(yīng)用軟件或移動(dòng)端App的形式提供給用戶，實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)的便捷與按需使用。連接（CN）實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、服務(wù)及數(shù)據(jù)之間的普適工業(yè)互聯(lián)，從而支持虛實(shí)實(shí)時(shí)互聯(lián)與融合。虛擬實(shí)體（VE）從多維度、多空間尺度及多時(shí)間尺度對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行刻畫和描述。

2）數(shù)字孿生的系統(tǒng)架構(gòu)

圖3給出了數(shù)字孿生系統(tǒng)的通用參考架構(gòu)。一個(gè)典型的數(shù)字孿生系統(tǒng)包括用戶域、數(shù)字孿生體、測(cè)量與控制實(shí)體、現(xiàn)實(shí)物理域和跨域功能實(shí)體共5個(gè)層次。

圖3 數(shù)字孿生系統(tǒng)的通用參考架構(gòu)

3）數(shù)字孿生的成熟度模型

數(shù)字孿生不僅僅是物理世界的鏡像，也要接受物理世界實(shí)時(shí)信息，更要反過(guò)來(lái)實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)物理世界，而且進(jìn)化為物理世界的先知、先覺甚至超體。這個(gè)演變過(guò)程稱為成熟度進(jìn)化，即數(shù)字孿生的生長(zhǎng)發(fā)育將經(jīng)歷數(shù)化、互動(dòng)、先知、先覺和共智等幾個(gè)過(guò)程（圖4）。

圖4 數(shù)字孿生成熟度模型

（1）數(shù)化。數(shù)化是對(duì)物理世界數(shù)字化的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程需要將物理對(duì)象表達(dá)為計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)所能識(shí)別的數(shù)字模型。建模技術(shù)是數(shù)字化的核心技術(shù)之一，例如測(cè)繪掃描、幾何建模、網(wǎng)格建模、系統(tǒng)建模、流程建模、組織建模等技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)是“數(shù)化”的另一項(xiàng)核心技術(shù)，將物理世界本身的狀態(tài)變?yōu)榭梢员挥?jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)所能感知、識(shí)別和分析。

（2）互動(dòng)。互動(dòng)主要是指數(shù)字對(duì)象及其物理對(duì)象之間的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)互動(dòng)。物聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)虛實(shí)之間互動(dòng)的核心技術(shù)。數(shù)字世界的責(zé)任之一是預(yù)測(cè)和優(yōu)化，同時(shí)根據(jù)優(yōu)化結(jié)果干預(yù)物理世界，所以需要將指令傳遞到物理世界。物理世界的新狀態(tài)需要實(shí)時(shí)傳導(dǎo)到數(shù)字世界，作為數(shù)字世界的新初始值和新邊界條件。另外，這種互動(dòng)包括數(shù)字對(duì)象之間的互動(dòng)，依靠數(shù)字線程來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（3）先知。先知是指利用仿真技術(shù)對(duì)物理世界的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)。這需要數(shù)字對(duì)象不僅表達(dá)物理世界的幾何形狀，更需要在數(shù)字模型中融入物理規(guī)律和機(jī)理。仿真技術(shù)不僅建立物理對(duì)象的數(shù)字化模型，還要根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)，通過(guò)物理學(xué)規(guī)律和機(jī)理來(lái)計(jì)算、分析和預(yù)測(cè)物理對(duì)象的未來(lái)狀態(tài)。

（4）先覺。如果說(shuō)“先知”是依據(jù)物理對(duì)象的確定規(guī)律和完整機(jī)理來(lái)預(yù)測(cè)數(shù)字孿生的未來(lái)，那“先覺”就是依據(jù)不完整的信息和不明確的機(jī)理，通過(guò)工業(yè)大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來(lái)預(yù)感未來(lái)。如果要求數(shù)字孿生越來(lái)越智能和智慧，就不應(yīng)局限于人類對(duì)物理世界的確定性知識(shí)，因?yàn)槿祟惐旧砭筒皇峭耆蕾嚧_定性知識(shí)而領(lǐng)悟世界的。

（5）共智。共智是通過(guò)云計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同數(shù)字孿生之間的智慧交換和共享，其隱含的前提是單個(gè)數(shù)字孿生內(nèi)部各構(gòu)件的智慧首先是共享的。所謂“單個(gè)”數(shù)字孿生體是人為定義的范圍，多個(gè)數(shù)字孿生單體可以通過(guò)“共智”形成更大和更高層次的數(shù)字孿生體，這個(gè)數(shù)量和層次可以是無(wú)限的。

「 3. 數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù) 」

建模、仿真和基于數(shù)據(jù)融合的數(shù)字線程是數(shù)字孿生的3項(xiàng)核心技術(shù)。

1）建模

數(shù)字化建模技術(shù)起源于20世紀(jì)50年代，建模的目的是將我們對(duì)物理世界或問題的理解進(jìn)行簡(jiǎn)化和模型化。數(shù)字孿生的目的或本質(zhì)是通過(guò)數(shù)字化和模型化，消除各種物理實(shí)體、特別是復(fù)雜系統(tǒng)的不確定性。所以建立物理實(shí)體的數(shù)字化模型或信息建模技術(shù)是創(chuàng)建數(shù)字孿生、實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的源頭和核心技術(shù)，也是“數(shù)化”階段的核心。

數(shù)字孿生的模型發(fā)展分為4個(gè)階段，這種劃分代表了工業(yè)界對(duì)數(shù)字孿生模型發(fā)展的普遍認(rèn)識(shí)，如圖5所示。

圖5 數(shù)字孿生模型建立的4個(gè)階段

第1個(gè)階段是實(shí)物模型階段，沒有虛擬模型與之對(duì)應(yīng)。NASA在太空飛船飛行過(guò)程中，會(huì)在地面構(gòu)建太空飛船的雙胞胎實(shí)物模型。這套實(shí)物模型曾在拯救Apollo 13的過(guò)程中起到了關(guān)鍵作用。

第2個(gè)階段是實(shí)體模型有其對(duì)應(yīng)的部分實(shí)現(xiàn)的虛擬模型，但它們之間不存在數(shù)據(jù)通信。其實(shí)這個(gè)階段不能稱為數(shù)字孿生的階段，一般準(zhǔn)確的說(shuō)法是實(shí)物的數(shù)字模型。還有就是雖然有虛擬模型，但這個(gè)虛擬模型可能反應(yīng)的是來(lái)源于它的所有實(shí)體，例如設(shè)計(jì)成果二維/三維模型，同樣使用數(shù)字形式表達(dá)了實(shí)體模型，但兩者直接并不是個(gè)體對(duì)應(yīng)的。

第3個(gè)階段是在實(shí)體模型生命周期里，存在與之對(duì)應(yīng)的虛擬模型，但虛擬模型是部分實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)就像是實(shí)體模型的影子，也可稱為數(shù)字影子模型，在虛擬模型間和實(shí)體模型間可以進(jìn)行有限的雙向數(shù)據(jù)通信，即實(shí)體狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和虛擬模型信息反饋。當(dāng)前數(shù)字孿生的建模技術(shù)能夠較好的滿足這個(gè)階段的要求。

第4個(gè)階段是完整數(shù)字孿生階段，即實(shí)體模型和虛擬模型完全一一對(duì)應(yīng)。虛擬模型完整表達(dá)了實(shí)體模型，并且兩者之間實(shí)現(xiàn)了融合，實(shí)現(xiàn)了虛擬模型和實(shí)體模型間自我認(rèn)知和自我處置，相互之間的狀態(tài)能夠?qū)崟r(shí)保真的保持同步。

值得注意的是，有時(shí)候可以先有虛擬模型，再有實(shí)體模型，這也是數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用的高級(jí)階段。

一個(gè)物理實(shí)體不是僅對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)字孿生體，可能需要多個(gè)從不同側(cè)面或視角描述的數(shù)字孿生體。人們很容易認(rèn)為一個(gè)物理實(shí)體對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)字孿生體。如果只是幾何的，這種說(shuō)法尚能成立。恰恰因?yàn)槿藗冃枰J(rèn)識(shí)實(shí)體所處的不同階段、不同環(huán)境中的不同物理過(guò)程，一個(gè)數(shù)字孿生體顯然難以描述。如一臺(tái)機(jī)床在加工時(shí)的振動(dòng)變形情況、熱變形情況、刀具與工件相互作用的情況……這些情況自然需要不同的數(shù)字孿生體進(jìn)行描述。

不同的建模者從某一個(gè)特定視角描述一個(gè)物理實(shí)體的數(shù)字孿生模型似乎應(yīng)該是一樣的，但實(shí)際上可能有很大差異。前述一個(gè)物理實(shí)體可能對(duì)應(yīng)多個(gè)數(shù)字孿生體，但從某個(gè)特定視角的數(shù)字孿生體似乎應(yīng)該是唯一的，實(shí)則不然。差異不僅是模型的表達(dá)形式，更重要的是孿生數(shù)據(jù)的粒度。如在所謂的智能機(jī)床中，通常人們通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)獲得加工尺寸、切削力、振動(dòng)、關(guān)鍵部位的溫度等方面的數(shù)據(jù)，以此反映加工質(zhì)量和機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)。不同的建模者對(duì)數(shù)據(jù)的取舍肯定不一樣。一般而言，細(xì)粒度數(shù)據(jù)有利于人們更深刻地認(rèn)識(shí)物理實(shí)體及其運(yùn)行過(guò)程。

2）仿真

從技術(shù)角度看，建模和仿真是一對(duì)伴生體：如果說(shuō)建模是模型化我們對(duì)物理世界或問題的理解，那么仿真就是驗(yàn)證和確認(rèn)這種理解的正確性和有效性。所以，數(shù)字化模型的仿真技術(shù)是創(chuàng)建和運(yùn)行數(shù)字孿生體、保證數(shù)字孿生體與對(duì)應(yīng)物理實(shí)體實(shí)現(xiàn)有效閉環(huán)的核心技術(shù)。

仿真是將包含了確定性規(guī)律和完整機(jī)理的模型轉(zhuǎn)化成軟件的方式來(lái)模擬物理世界的一種技術(shù)。只要模型正確，并擁有了完整的輸入信息和環(huán)境數(shù)據(jù)，就可以基本正確地反映物理世界的特性和參數(shù)。

仿真興起于工業(yè)領(lǐng)域，作為必不可少的重要技術(shù)，已經(jīng)被世界上眾多企業(yè)廣泛應(yīng)用到工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域中，是推動(dòng)工業(yè)技術(shù)快速發(fā)展的核心技術(shù)，是工業(yè)3.0時(shí)代最重要的技術(shù)之一，在產(chǎn)品優(yōu)化和創(chuàng)新活動(dòng)中扮演不可或缺的角色。近年來(lái)，在工業(yè)4.0、智能制造等新一輪工業(yè)革命的興起，新技術(shù)與傳統(tǒng)制造的結(jié)合催生了大量新型應(yīng)用，工程仿真軟件也開始與這些先進(jìn)技術(shù)結(jié)合，在研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、試驗(yàn)運(yùn)維等各環(huán)節(jié)發(fā)揮更重要的作用。

隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，這種技術(shù)被越來(lái)越多的領(lǐng)域所采納，逐漸發(fā)展出更多類型的仿真技術(shù)和軟件。

針對(duì)數(shù)字孿生緊密相關(guān)的工業(yè)制造場(chǎng)景，我們梳理其中所涉及的仿真技術(shù)如下（圖6）：

（1）產(chǎn)品仿真，如系統(tǒng)仿真、多體仿真、物理場(chǎng)仿真、虛擬實(shí)驗(yàn)等；

（2）制造仿真，如工藝仿真、裝配仿真、數(shù)控加工仿真等；

（3）生產(chǎn)仿真，如離散制造工廠仿真、流程制造仿真等。

（a）飛機(jī)氣動(dòng)仿真

（b）工廠仿真

圖6 制造場(chǎng)景下的仿真示例

數(shù)字孿生是仿真應(yīng)用新巔峰。在數(shù)字孿生的成熟度的每個(gè)階段，仿真都在扮演著不可或缺的角色：“數(shù)化”的核心技術(shù)——建?？偸呛头抡媛?lián)系在一起，或是仿真的一部分；“互動(dòng)”是半實(shí)物仿真中司空見慣的場(chǎng)景；“先知”的核心技術(shù)本色就是仿真；很多學(xué)者將“先覺”中的核心技術(shù)——工業(yè)大數(shù)據(jù)視為一種新的仿真范式；“共智”需要通過(guò)不同孿生體之間的多種學(xué)科耦合仿真才能讓思想碰撞，才能產(chǎn)生智慧的火花。數(shù)字孿生也因?yàn)榉抡嬖诓煌墒於入A段中無(wú)處不在而成為智能化和智慧化的源泉與核心。

3）數(shù)字線程

一個(gè)與數(shù)字孿生緊密聯(lián)系在一起的概念是數(shù)字線程（digital thread）。數(shù)字孿生應(yīng)用的前提是各個(gè)環(huán)節(jié)的模型及大量的數(shù)據(jù)，那么類似于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維等各方面的數(shù)據(jù)，如何產(chǎn)生、交換和流轉(zhuǎn)？如何在一些相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)縫流動(dòng)？如何在正確的時(shí)間把正確的信息用正確的方式連接到正確的地方？連接的過(guò)程如何可追溯？連接的效果還要可評(píng)估。這些正是數(shù)字主線要解決的問題。CIMdata推薦的定義：“數(shù)字主線指一種信息交互的框架，能夠打通原來(lái)多個(gè)豎井式的業(yè)務(wù)視角，連通設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)的互聯(lián)數(shù)據(jù)流和集成視圖”。數(shù)字線程通過(guò)強(qiáng)大的端到端的互聯(lián)系統(tǒng)模型和基于模型的系統(tǒng)工程流程來(lái)支撐和支持，圖7是其示意圖。

圖7 數(shù)字線程的示意圖

數(shù)字線程是與某個(gè)或某類物理實(shí)體對(duì)應(yīng)的若干數(shù)字孿生體之間的溝通橋梁，這些數(shù)字孿生體反映了該物理實(shí)體不同側(cè)面的模型視圖。數(shù)字線程和數(shù)字孿生體之間的關(guān)系如圖8所示。

圖8 數(shù)字孿生體與數(shù)字線程的關(guān)系

從圖8可以看出，能夠?qū)崿F(xiàn)多視圖模型數(shù)據(jù)融合的機(jī)制或引擎是數(shù)字線程技術(shù)的核心。因此，數(shù)字孿生的概念模型中，將數(shù)字線程表示為模型數(shù)據(jù)融合引擎和一系列數(shù)字孿生體的結(jié)合。數(shù)字孿生環(huán)境下實(shí)現(xiàn)數(shù)字線程有如下需求：

（1）能區(qū)分類型和實(shí)例；

（2）支持需求及其分配、追蹤、驗(yàn)證和確認(rèn)；

（3）支持系統(tǒng)跨時(shí)間尺度各模型視圖間的實(shí)際狀態(tài)記實(shí)、關(guān)聯(lián)和追蹤；

（4）支持系統(tǒng)跨時(shí)間尺度各模型間的關(guān)聯(lián)和及其時(shí)間尺度模型視圖的關(guān)聯(lián)；

（5）記錄各種屬性及其隨時(shí)間和不同的視圖的變化；

（6）記錄作用于系統(tǒng)以及由系統(tǒng)完成的過(guò)程或動(dòng)作；

（7）記錄使能系統(tǒng)的用途和屬性；

（8）記錄與系統(tǒng)及其使能系統(tǒng)相關(guān)的文檔和信息。

數(shù)字線程必須在全生命周期中使用某種“共同語(yǔ)言”，才能交互。例如，在概念設(shè)計(jì)階段，就有必要由產(chǎn)品工程師與制造工程師共同創(chuàng)建能夠共享的動(dòng)態(tài)數(shù)字模型。據(jù)此模型生成加工制造和質(zhì)量檢驗(yàn)等生產(chǎn)過(guò)程所需可視化工藝、數(shù)控程序、驗(yàn)收規(guī)范等，不斷優(yōu)化產(chǎn)品和過(guò)程，并保持實(shí)時(shí)同步更新。數(shù)字線程能有效地評(píng)估系統(tǒng)在其生命周期中的當(dāng)前和未來(lái)能力，在產(chǎn)品開發(fā)之前，通過(guò)仿真的方法及早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性能缺陷，優(yōu)化產(chǎn)品的可操作性、可制造性、質(zhì)量控制，以及在整個(gè)生命周期中應(yīng)用模型實(shí)現(xiàn)可預(yù)測(cè)維護(hù)。

「 4. 數(shù)字孿生在智能制造中的典型應(yīng)用案例 」

1）數(shù)字孿生設(shè)計(jì)物料堆放場(chǎng)

在電廠、鋼鐵廠、礦場(chǎng)都有物料堆放場(chǎng)。傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)這些堆放場(chǎng)時(shí)，設(shè)計(jì)需求是人為規(guī)劃的。堆放場(chǎng)建設(shè)運(yùn)行后，卻常常發(fā)現(xiàn)當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。這種差距有時(shí)會(huì)非常大，造成巨大浪費(fèi)。

為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，在設(shè)計(jì)新的物料堆放場(chǎng)時(shí)，ABB公司使用了數(shù)字孿生技術(shù)。從設(shè)計(jì)需求開始，設(shè)計(jì)人員就利用物聯(lián)網(wǎng)獲得的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，對(duì)需求進(jìn)行優(yōu)化。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，ABB借助于CAD/CAE/VR等技術(shù)開發(fā)了物料堆放場(chǎng)的數(shù)字孿生（圖9）。該數(shù)字孿生實(shí)時(shí)反映了物料傳輸、存儲(chǔ)、混合、質(zhì)量等隨環(huán)境變化的參數(shù)。針對(duì)該物料場(chǎng)的設(shè)計(jì)并不是一次完成的，而是經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化才定型的。在優(yōu)化階段，在數(shù)字孿生中對(duì)物理場(chǎng)進(jìn)行虛擬運(yùn)行。通過(guò)運(yùn)行反映出的動(dòng)態(tài)變化，提前獲得運(yùn)行后可能會(huì)出現(xiàn)的問題，然后自動(dòng)改進(jìn)設(shè)計(jì)。通過(guò)多次迭代優(yōu)化，形成最終的設(shè)計(jì)方案。

圖9 ABB利用數(shù)字孿生設(shè)計(jì)物料堆放場(chǎng)

通過(guò)運(yùn)行過(guò)程證明，通過(guò)數(shù)字孿生設(shè)計(jì)的新方案可以更好地滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。而且，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)，設(shè)計(jì)階段的數(shù)字孿生體會(huì)在運(yùn)行階段繼續(xù)使用，不斷優(yōu)化物料場(chǎng)的運(yùn)行。

2）數(shù)字孿生機(jī)床

機(jī)床是制造業(yè)中的重要設(shè)備。隨著客戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，機(jī)床也面臨著提高加工精度、減少次品率、降低能耗等嚴(yán)苛的要求。

在歐盟領(lǐng)導(dǎo)的歐洲研究和創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目中，研究人員開發(fā)了機(jī)床的數(shù)字孿生體，以優(yōu)化和控制機(jī)床的加工過(guò)程（圖10）。除了常規(guī)的基于模型的仿真和評(píng)估之外，研究人員使用開發(fā)的工具監(jiān)控機(jī)床加工過(guò)程，并進(jìn)行直接控制。采用基于模型的評(píng)估，結(jié)合監(jiān)視數(shù)據(jù)，改進(jìn)制造過(guò)程的性能。通過(guò)控制部件的優(yōu)化來(lái)維護(hù)操作、提高能源效率、修改工藝參數(shù)，從而提高生產(chǎn)率，確保機(jī)床重要部件在下次維修之前都保持良好狀態(tài)。

圖10 數(shù)字孿生機(jī)床

在建立機(jī)床的數(shù)字孿生體時(shí)，利用CAD和CAE技術(shù)建立了機(jī)床動(dòng)力學(xué)模型（圖11）、加工工程模擬、能源效率模型和關(guān)鍵部件壽命模型。這些模型能夠計(jì)算材料去除率和毛邊的厚度變化，以及預(yù)測(cè)道具破壞的情況。除了優(yōu)化道具加工過(guò)程中的切屑力外，還可以模擬道具的穩(wěn)定性，允許對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。此外，模型還預(yù)測(cè)了表面粗糙度和熱誤差。機(jī)床數(shù)字孿生體能把這些模型和測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)連接起來(lái)，為控制機(jī)床的操作提供輔助決策。機(jī)床的監(jiān)控系統(tǒng)部署在本地系統(tǒng)中，同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至云端的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，在云平臺(tái)上管理并運(yùn)行這些數(shù)據(jù)。

圖11 數(shù)字孿生機(jī)床的液壓控制系統(tǒng)

「 5. 數(shù)字孿生未來(lái)發(fā)展趨勢(shì) 」

結(jié)合當(dāng)前數(shù)字孿生的發(fā)展現(xiàn)狀，未來(lái)數(shù)字孿生將向擬實(shí)化、全生命周期化和集成化3個(gè)方向發(fā)展。

1）擬實(shí)化——多物理建模

數(shù)字孿生是物理實(shí)體在虛擬空間的真實(shí)反映，數(shù)字孿生在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的成功程度取決于數(shù)字孿生的逼真程度，即擬實(shí)化程度。產(chǎn)品的每個(gè)物理特性都有其特定的模型，包括計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)模型、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型、熱力學(xué)模型、應(yīng)力分析模型、疲勞損傷模型以及材料狀態(tài)演化模型。如何將這些基于不同物理屬性的模型關(guān)聯(lián)在一起，是建立數(shù)字孿生、繼而充分發(fā)揮數(shù)字孿生模擬、診斷、預(yù)測(cè)和控制作用的關(guān)鍵。基于多物理集成模型的仿真結(jié)果能夠更加精確地反映和鏡像物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的真實(shí)狀態(tài)和行為，使得在虛擬環(huán)境中產(chǎn)品的功能和性能并最終替代物理樣機(jī)成為可能，同時(shí)還能夠解決基于傳統(tǒng)方法預(yù)測(cè)產(chǎn)品健康狀況和剩余壽命所存在的時(shí)序和幾何尺度等問題。多物理建模將是提高數(shù)字孿生擬實(shí)化程度、充分發(fā)揮數(shù)字孿生作用的重要技術(shù)手段。

2）全生命周期化——從產(chǎn)品設(shè)計(jì)和服務(wù)階段向產(chǎn)品制造階段延伸

基于物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)等新一代信息與通信技術(shù)，實(shí)時(shí)采集和處理生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的過(guò)程數(shù)據(jù)，并將這些過(guò)程數(shù)據(jù)與生產(chǎn)線數(shù)字孿生進(jìn)行關(guān)聯(lián)映射和匹配，能夠在線實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品制造過(guò)程的精細(xì)化管控；同時(shí)結(jié)合智能云平臺(tái)以及動(dòng)態(tài)貝葉斯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)線、制造單元、生產(chǎn)進(jìn)度、物流、質(zhì)量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化與調(diào)整。

3）集成化——與其他技術(shù)融合

數(shù)字線程技術(shù)作為數(shù)字孿生的使能技術(shù)，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生全生命周期各階段模型和關(guān)鍵數(shù)據(jù)的雙向交互，是實(shí)現(xiàn)單一產(chǎn)品數(shù)據(jù)源和產(chǎn)品全生命周期各階段高效協(xié)同的基礎(chǔ)。美國(guó)國(guó)防部將數(shù)字線程技術(shù)作為數(shù)字制造最重要的基礎(chǔ)技術(shù)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟也將數(shù)字線程作為其需要著重解決的關(guān)鍵性技術(shù)。當(dāng)前，產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、使用等各個(gè)環(huán)節(jié)之間仍然存在斷點(diǎn)，并未完全實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的連續(xù)流動(dòng)；MBD技術(shù)的出現(xiàn)雖然加強(qiáng)和規(guī)范了基于產(chǎn)品三維模型的制造信息描述，但仍主要停留在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段和工藝設(shè)計(jì)階段，需要向產(chǎn)品制造/裝配、檢驗(yàn)、使用等階段延伸；而且現(xiàn)階段的數(shù)字量流動(dòng)是單向的，需要數(shù)字線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)。因此，融合數(shù)字線程和數(shù)字孿生是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

數(shù)字孿生與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用研修班

4月7-8日 ● 線上培訓(xùn)