數(shù)字雙胞胎正在推動(dòng)智能制造的生產(chǎn)效率

“數(shù)字雙胞胎”與建模仿真技術(shù)曾被稱作智能制造業(yè)的下一波浪潮，工業(yè)4.0也要求，若要虛和實(shí)的互動(dòng)以及相互增強(qiáng)，數(shù)字化模型必須先出現(xiàn)。

什么是數(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)物理對(duì)象，模擬對(duì)象在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，對(duì)產(chǎn)品、制造過程乃至整個(gè)工廠進(jìn)行虛擬仿真，從而提高制造企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)、制造的生產(chǎn)效率。

所有“產(chǎn)品”最早是人類大腦里的一個(gè)模糊概念，在沒有數(shù)字化模型幫助的情況下，要打造出一件產(chǎn)品或一套生產(chǎn)流程，必然會(huì)經(jīng)歷多次迭代設(shè)計(jì)，有時(shí)候僅僅為了驗(yàn)證產(chǎn)品的某一個(gè)尺寸，部件之間的裝配關(guān)系，流程的某一環(huán)節(jié)，就不得不制造出很多個(gè)中間產(chǎn)品或重新設(shè)計(jì)流程（被稱為打樣），耗費(fèi)大量時(shí)間、金錢和人力。采用數(shù)字化模型的設(shè)計(jì)技術(shù)（常指CAD技術(shù)，即數(shù)字化輔助設(shè)計(jì)），就可在虛擬的三維數(shù)字空間里從無到有地創(chuàng)造出部件和產(chǎn)品以及工藝流程。在虛擬的三維空間里，可以輕松的修改部件和產(chǎn)品的每一處尺寸和裝配關(guān)系，使得產(chǎn)品幾何結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證工作、裝配可行性的驗(yàn)證工作、流程的可實(shí)行性大為簡(jiǎn)單，因此可以大幅度減少迭代過程中的物理樣機(jī)的制造次數(shù)，時(shí)間，成本。除此之外，專門的電路CAD設(shè)計(jì)技術(shù)可以根據(jù)電路以及器件的原理，在三維數(shù)字空間設(shè)計(jì)出電路，并且也可以進(jìn)行虛擬的驗(yàn)證和迭代設(shè)計(jì)。同樣也可以大幅度減少制造物理樣機(jī)的代價(jià)。這就是數(shù)字化模型一定會(huì)早于物理實(shí)體產(chǎn)品出現(xiàn)的原因。實(shí)際上，在最終的產(chǎn)品制造出來之前，有很多個(gè)數(shù)字化模型代表著產(chǎn)品迭代的各個(gè)階段。這些模型或者其中的一部分，仍然有可能被以后的型號(hào)或者產(chǎn)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”

建模仿真最早來源于上世紀(jì)60年代至70年代的計(jì)算機(jī)語言編寫的數(shù)字算法，當(dāng)時(shí)只是簡(jiǎn)單的用于計(jì)算特定物理現(xiàn)象，解決設(shè)計(jì)問題；之后的二十年，隨著工作站和微機(jī)的普及以及計(jì)算能力的提高，仿真技術(shù)的應(yīng)用逐漸遍及各個(gè)學(xué)科和不同層面；而且不會(huì)停留在設(shè)計(jì)階段，正在向產(chǎn)品和系統(tǒng)的全生命周期擴(kuò)展，構(gòu)成與實(shí)體形影不離的“數(shù)字雙胞胎”。由于仿真能夠在產(chǎn)品生命周期提供無縫協(xié)助和優(yōu)化，將會(huì)成為制造體系的核心功能之一，未來智能工廠是基于模型的系統(tǒng)工程或基于模型的制造，軟件定義產(chǎn)品、決定企業(yè)盛衰，仿真技術(shù)制造系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分的黃金時(shí)代才剛剛開始。Gartner預(yù)測(cè)，到2021年，全球50％的大型工業(yè)公司將使用數(shù)字雙胞胎，從而使這些組織的效率提高10％，尤其是制造業(yè)和工程行業(yè)的公司，如果想要在競(jìng)爭(zhēng)中保持領(lǐng)先地位，就需要考慮實(shí)施數(shù)字雙胞胎。

制造業(yè)是目前數(shù)字雙胞胎最常用的行業(yè)，按時(shí)向客戶提供保質(zhì)保量的產(chǎn)品對(duì)制造企業(yè)至關(guān)重要，如果機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)不能協(xié)同并以適當(dāng)?shù)娜萘抗ぷ鳎蜁?huì)影響員工、生產(chǎn)、可交付性以及最終客戶的滿意度；采取實(shí)時(shí)監(jiān)控、不中斷生產(chǎn)的情況下進(jìn)行測(cè)試、并且能夠在設(shè)施中收集的數(shù)百萬個(gè)數(shù)字據(jù)點(diǎn)獲得更多信息，數(shù)字雙胞胎使制造企業(yè)更加智能。

在德勤的一份案例研究中，一家工業(yè)制造企業(yè)決定采用數(shù)字雙胞胎方法，來解決其在現(xiàn)場(chǎng)遇到的問題，從而解決維護(hù)費(fèi)用和客戶延遲交付。制造企業(yè)收集了設(shè)備以及正在生產(chǎn)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，來研究裝配過程及其與產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)系。因此，該項(xiàng)目能夠識(shí)別低效率并優(yōu)化裝配流程，將返工率降低了15％至20％。

數(shù)字雙胞胎的國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

最早在市場(chǎng)上提出“數(shù)字化雙胞胎”模型概念的是西門子，基于模型的虛擬企業(yè)和基于自動(dòng)化技術(shù)的現(xiàn)實(shí)企業(yè)的“數(shù)字化雙胞胎”（Digital Twins），包括“產(chǎn)品數(shù)字化雙胞胎”、“生產(chǎn)工藝流程數(shù)字化雙胞胎”和“設(shè)備數(shù)字化雙胞胎”，三個(gè)層面又高度集成為一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，并通過數(shù)字化助力企業(yè)整合橫向和縱向價(jià)值鏈，提供工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)重塑和實(shí)現(xiàn)“工業(yè)4.0”自下而上的切實(shí)之路。

數(shù)字雙胞胎的引入國(guó)內(nèi)僅僅幾年時(shí)間，目前處于初步探索與實(shí)踐環(huán)節(jié)，距離廣泛應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走；目前數(shù)字雙胞胎技術(shù)還面臨著諸多難題，主要可分為三類：一是高仿真度，高保真度的仿真建模是構(gòu)建數(shù)字雙胞胎體系的關(guān)鍵，數(shù)字雙胞胎作為物理實(shí)體在數(shù)字空間的超寫實(shí)動(dòng)態(tài)模型，產(chǎn)品虛擬模型的高精度性、多物理場(chǎng)建模、高保真度響應(yīng)模擬等是首要解決的技術(shù)難題。二是數(shù)據(jù)收集，由于數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用以海量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并且是基于全要素、全生命周期的數(shù)據(jù)，而有關(guān)這些數(shù)據(jù)所涉及的先進(jìn)傳感器技術(shù)、自適應(yīng)感知、精確控制與執(zhí)行技術(shù)等難題急需攻關(guān)。三是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與健康預(yù)測(cè)技術(shù)也尚待完善，實(shí)時(shí)和預(yù)測(cè)是數(shù)字孿生的核心要素，一方面物理產(chǎn)品的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)反映在數(shù)字孿生體系中，另一方面，數(shù)字孿生基于感知的大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析決策，進(jìn)而控制物理產(chǎn)品，而其中離不開相應(yīng)的高實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)交互、高置信度仿真預(yù)測(cè)、超級(jí)計(jì)算能力等技術(shù)能力。此外，新的設(shè)計(jì)檢驗(yàn)方法仍需進(jìn)一步探索，使物理模式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確、更接近真實(shí)的工況，為數(shù)字孿生體的推演提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

目前中國(guó)制造業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期，通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合，使得中國(guó)制造競(jìng)爭(zhēng)力得到大幅提升。未來，數(shù)字雙胞胎也可結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)處理和人工智能建模分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)過去發(fā)生問題的診斷、當(dāng)前狀態(tài)的評(píng)估以及未來趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，并給予分析結(jié)果，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持。