吕亚楠

【摘要】今天的数字化技术正在不断地改变每一个企业。未来，所有的企业都将成为数字化的公司，这不只是要求企业开发出具备数字化特征的产品，更指的是通过数字化手段改变整个产品的设计、开发、制造和服务过程，并通过数字化的手段连接企业的内部和外部环境。数字孪生技术是CPS体系的关键组成部份，以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为。本文主要针对数字孪生技术在企业生产中的应用进行分析和讨论。

【关键词】数字孪生技术;企业生产;应用

一、数字孪生技术概述

数字孪生技术（Digital Twin，简称DT）是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体物的全生命周期过程。DT是一种超越现实的概念，可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的系统的数字映射系统。美国国防部为了航空航天飞行器的健康维护与保障，最早提出并利用了DT技术。

数字孪生技术有时候也用来指代将一个工厂的厂房及产线，在没有建造之前，就完成数字化模型，继而在虚拟空间中对工厂进行仿真和模拟，并将真实参数传给实际的工厂建设（从这层应用上讲，数字孪生功效类似国内提出的半实物仿真技术）。而工房和生产线建成后的日常运维中二者继续进行信息交互，贯穿产品全生命周期的全时空。

二、数字孪生技术在企业生产中的应用

数字孪生技术会帮助企业在实际投入生产之前即能在虚拟环境中优化、仿真和测试，在生产过程中也可同步优化整个企业流程，最终实现高效的柔性生产、实现快速创新上市，锻造企业持久竞争力。数字孪生技术是制造企业迈向工业4.0战略目标的關键技术，通过将掌握产品信息及其生命周期过程的数字思路将所有阶段（产品创意、设计、制造规划、生产和使用）衔接起来，并连接到可以理解这些信息并对其做出反应的生产智能设备。

（一）产品数字孪生

在产品的设计阶段，利用数字孪生可以提高设计的准确性，并验证产品在真实环境中的性能。这个阶段的数字孪生，关键能力包含，第一：数字模型设计，使用CAD工具开发出满足技术规格的产品虚拟原型，精确的记录产品的各种物理参数，以可视化的方式展示出来，并通过一系列的验证手段来检验设计的精准程度;第二：模拟和仿真：通过一系列可重复、可变参数、可加速的仿真实验，来验证产品在不同外部环境下的性能和表现，在设计阶段就验证产品的适应性。

（二）生产数字孪生

在产品的制造阶段，生产数字孪生的主要目的是确保产品可以被高效、高质量和低成本的生产，它所要设计、仿真和验证的对象主要是生产系统，包括制造工艺、制造设备、制造车间、管理控制系统等。利用数字孪生可以加快产品导入的时间，提高产品设计的质量、降低产品的生产成本和提高产品的交付速度。产品阶段的数字孪生是一个高度协同的过程，通过数字化手段构建起来的虚拟生产线，将产品本身的数字孪生同生产设备、生产过程等其他形态的数字孪生高度集成起来。

（三）设备数字孪生

产品作为客户的设备资产在运行过程中，将设备运行信息实时传送到云端，进行设备运行优化，进行设备可预测性维护与保养，通过设备运行信息，对产品设计、工艺和制造迭代优化。包含设备运行优化、可预测性维护、维修与保养、设计、工艺与制造迭代优化。

三、数字孪生技术应用发展态势

（一）数字孪生应用已渗透到资产、车间、企业各个层级

数字孪生应用场景广泛，当前覆盖“NIST智能制造系统”中的产品、生产和商业三大领域，并朝着实现三大领域价值链条全面优化的方向发展。一是面向产品的数字孪生应用聚焦产品全生命周期优化。如AFRL与NASA合作构建F-15数字孪生体，基于战斗机试飞、生产、检修全生命数据修正仿真过程机理模型，提高了机体维护预警准确度;二是面向车间的数字孪生应用聚焦生产全过程管控。如空客通过在关键工装、物料和零部件上安装RFID，生成了A350XWB总装线的数字孪生体，使工业流程更加透明化，并能够预测车间瓶颈、优化运行绩效;三是面向企业的数字孪生应用聚焦业务综合评估与管理。如Software AG基于ARIS业务流程建模功能构建了面向企业业务的数字孪生体，并通过模拟评估业务流程预见企业未来成本和绩效。

（二）数字孪生应用由虚拟验证向虚实交互的闭环优化发展

数字孪生应用发展历程依次经历虚拟验证、单向连接、智能决策、虚实交互四大阶段。一是虚拟验证，能够在虚拟空间对产品/产线/物流等进行仿真模拟，以提升真实场景的运行效益。如ABB推出PickMaster Twin，客户能够在虚拟产线上对机器人配置进行测试，使拾取操作在虚拟空间进行验证优化;二是单向连接，在虚拟验证的基础上叠加了IOT，实现基于真实数据驱动的实时仿真模拟，大大提升了仿真精度。如PTC和ANSYS合作，构建了泵的仿真模型，并将其与真实的泵连接，基于实时数据驱动仿真，优化模拟;三是智能决策，在单向连接的基础上叠加了AI，将仿真模型和数据模型很好的融合，优化分析决策水平。如杭汽轮通过三维扫描构建几何形状，与平台标准机理模型对比，并叠加人工智能分析，实现叶片的检测试验从2～3天降低至3～5分钟。四是虚实交互，在智能决策的基础上叠加了反馈控制功能，实现基于数据自执行的全闭环优化。如在西门子提供的产品体系中，设计仿真软件NX具备虚拟验证功能，MindSphere具备IOT连接功能，Omneo具备数据分析功能，TIA具备自动化执行功能。未来，西门子有望基于以上产品整合，真正实现数字孪生的虚实交互闭环优化。

四、结束语

数字孪生技术是正在高速发展的新技术，为复杂动态系统的物理信息融合提供了解决思路，是智能制造与智能自动化重要的解决方案之一。随着新一代信息技术与实体经济的加速融合，工业数字化、网络化、智能化演进趋势日益明显，催生了一批制造业数字化转型新模式、新业态，其中数字孪生日趋成为产业各界研究热点，未来发展前景广阔。

参考文献：

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