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當前，數字孿生（Digital twin）是各界關注的熱點，全球著名IT研究機構Gartner曾在2017年至2019年連續三年將數字孿生列為十大新興技術之一。北京航空航天大學陶飛教授團隊對數字孿生技術進行了長期的深入研究，撰寫了一批國際水準的學術論文。近期，美國工業互聯網聯盟（IIC）、IDC、埃森哲、中國信通院、賽迪等研究機構相繼發表了相關白皮書，我國從政府主管部門到企業也十分關注數字孿生技術。

但是，當前業界對于數字孿生技術還存在一些模糊甚至錯誤的認識，給數字孿生技術披上了一層神秘的面紗。e-works認為，如果不能正確理解數字孿生技術的基本內涵就囫圇吞棗地應用數字孿生技術，很可能會“走入歧途”。為此，本文希望結合工業界的應用需求與實踐，厘清對數字孿生的基本認識，引導企業正確理解和應用數字孿生技術。

關于數字孿生的內涵

很多業界主流公司都對數字孿生給出了自己的理解和定義，對于數字孿生的來源，本文不再贅述。本文首先對Gartner在過去三年對數字孿生的論述進行解讀。

2017年，Gartner在十大新興技術的專題對數字孿生的解釋是：數字孿生是實物或系統的動態軟件模型，在三到五年內，數十億計的實物將通過數字孿生來表達。通過應用實物的零部件運行和對環境做出反應的物理數據，以及來自傳感器的數據，數字孿生可用于分析和模擬實際運行狀況，應對變化，改善運營，實現增值。數字孿生所發揮的作用就像一個專業技師和傳統的監控和控制器（例如壓力表）的結合體。推進數字孿生應用需要進行文化變革，結合設備維護專家、數據科學家和IT專家的優勢。將設備的數字孿生模型與生產設施、環境，以及人、業務和流程的數字表達結合起來，以實現對現實世界更加精確的數字表達，從而實現仿真、分析和控制。

在Gartner2017年發布的新興技術成熟度曲線中，數字孿生處于創新萌發期，距離成熟應用還有5-10年時間。

2018年，Gartner在十大新興技術專題中對數字孿生的解釋是：數字孿生是現實世界實物或系統的數字化表達。隨著物聯網的廣泛應用，數字孿生可以連接現實世界的對象，提供其狀態信息，響應變化，改善運營并增加價值。到2020年，估計將有210億個傳感器和末端接入點連接在一起，在不久的將來，數十億計物體將擁有數字孿生模型。Gartner公司副總裁David Cearley指出，通過維修、維護與運營（MRO）以及通過物聯網提升設備運營績效，有望節省數十億美元。[2]

短期內，數字孿生將有助于資產管理，但最終將通過洞察產品使用情況，以及有哪些改善途徑，從而最終企業提升運營績效。

除了通過物聯網連接“物”，數字孿生連接的對象還有更多。“隨著時間的推移，我們這個世界的萬事萬物幾乎都可以與其數字對象動態地相互連接，并能夠基于AI實現高級仿真、運營和分析，” Cearley指出。“從長遠來看，從事城市規劃、數字營銷、醫療保健和工業規劃的專業人士都將在向集成的數字孿生世界轉型中獲益。” 例如，未來的人類數字模型可以提供生物識別和醫療數據，而整個城市的數字孿生模型將能夠實現高級模擬。

從2018年Gartner發布的新興技術成熟度曲線中可以看出，數字孿生已經進入了過熱期，其建設和預期出現了高峰，超出其當前能力，會形成投資泡沫。

2019年，Gartner在十大新興技術專題中對數字孿生的解釋如下：

數字孿生是現實生活中物體、流程或系統的數字鏡像。大型系統，例如發電廠或城市也可以創建其數字孿生模型。數字孿生的想法并不新，可以回溯到用計算機輔助設計來表述產品，或者建立客戶的在線檔案，但是如今的數字孿生有以下四點不同：[3]

模型的健壯性，聚焦于如何支持特定的業務成果；
與現實世界的連接，具有實現實時監控和控制的潛力；
應用高級大數據分析和人工智能技術來獲取新的商機；
數字孿生模型與實物模型的交互，并評估各種場景如何應對的能力。

當前的重點是基于物聯網應用的數字孿生，可以通過提供維護和可靠性信息，洞察產品如何更有效地運行和有關新產品和提高效率的數據，以改善企業決策。組織的數字孿生正在興起，以通過創建組織的流程模型，可以進行實時監控并提高流程效率。

從上述分析中可以看出，Gartner對于數字孿生的理解也有一個不斷演進的過程，而數字孿生的應用主體也不局限于基于物聯網來洞察和提升產品的運行績效，而是延伸到更廣闊的領域，例如工廠的數字孿生、城市的數字孿生，甚至組織的數字孿生。

全球著名PLM研究機構CIMdata認為：數字孿生模型不可能單獨存在；可以有多個針對不同用途的數字孿生模型，每個都有其特定的特征，例如數據分析數字孿生模型、MRO數字孿生模型、財務數字孿生模型、工程孿生模型以及工程仿真數據孿生模型；每個數字孿生模型必須有一個對應的物理實體，數字孿生模型可以而且應該先于物理實體而存在；物理實體可以是工廠、船舶、基礎設施、汽車或任何類型的產品；每個數字孿生模型必須與其對應物理實體有某些形式的數據交互，但不必是實時或電子形式。

GE Digital認為：數字孿生是資產和流程的軟件表示，用于理解、預測和優化績效以改善業務成果。數字孿生由三部分組成：數據模型、一組分析工具或算法，以及知識。[4]

西門子認為：數字孿生是物理產品或流程的虛擬表示，用于理解和預測物理對象或產品的性能特征。數字孿生用于在產品的整個生命周期，在物理原型和資產投資之前模擬、預測和優化產品和生產系統。[5]

SAP認為：數字孿生是物理對象或系統的虛擬表示，但其遠遠不僅是一個高科技的外觀。數字孿生使用數據、機器學習和物聯網來幫助企業優化、創新和提供新服務。[6]

PTC認為：數字孿生（PTC翻譯為數字映射）正在成為企業從數字化轉型舉措中獲益的最佳途徑。對于工業企業，數字孿生主要應用于產品的工程設計、運營和服務，帶來重要的商業價值,并為整個企業的數字化轉型奠定基礎。[7]

陶飛教授指出：當前對數字孿生存在多種不同認識和理解，目前尚未形成統一共識的定義，但物理實體、虛擬模型、數據、連接和服務是數字孿生的核心要素。不同階段（如產品的不同生命周期）的數字孿生呈現出不同的特點，對數字孿生的認識與實踐離不開具體對象、具體應用與具體需求。從應用和解決實際需求的角度出發，實際應用過程中不一定要求所建立的“數字孿生”具備所有理想特征，能滿足用戶的具體需求即可。

在趙敏先生和寧振波先生撰寫的《鑄魂：軟件定義制造》一書中指出，數字孿生是實踐先行，概念后成；數字孿生模型可以與實物模型高度相像，而不可能相等；數字孿生模型和實物模型也不是一個簡單的一對一的對應關系，而可能存在一對多，多對一、多對多，甚至一對少，一對零和零對一等多種對應關系。

結合學術界的研究和工業界的實踐，e-works認為，數字孿生并不是一種單元的數字化技術，而是在多種使能技術迅速發展和交叉融合基礎上，通過構建物理實體所對應的數字孿生模型，并對數字孿生模型進行可視化、調試、體驗、分析與優化，從而提升物理實體性能和運行績效的綜合性技術策略，是企業推進數字化轉型的核心戰略舉措之一。

數字孿生的基本特征

數字孿生的基本特征是虛實映射。通過對物理實體構建數字孿生模型，實現物理模型和數字孿生模型的雙向映射。構建數字孿生模型不是目的，而是手段，需要通過對數字孿生模型的分析與優化，來改善其對應的物理實體的性能和運行績效。

任何物理實體都可以創建其數字孿生模型，一個零件、一個部件、一個產品、一臺設備、一把加工刀具、一條生產線、一個車間、一座工廠、一個建筑、一座城市，乃至一顆心臟、一個人體等。對于不同的物理實體，其數字孿生模型的用途和側重點差異很大。

例如，達索系統幫助新加坡構建了數字城市，建立了一座城市的數字孿生模型，不僅包括了地理信息的三維模型，各種建筑的三維模型，還包括了各種地下管線的三維模型。該模型作為城市的數字化檔案，可以用于優化城市交通，便于各種公共設施的維護。Biodigital公司創建了生物數字人體模擬演示的在線平臺，可以幫助醫生和科學家研究人體構造，進行模擬試驗。在太空探索的過程中，科學家通過數字孿生模型對遠在太空的航天器，例如登陸火星的“好奇號”火星車進行遠程監控、仿真與操控。顯然，物理實體的結構越復雜，其對應的數字孿生模型也會越復雜，實現數字孿生應用的難度也更大。

數字孿生的關鍵使能技術

數字孿生迅速成為熱潮，源于數字化設計、虛擬仿真和工業互聯網（工業物聯網）等關鍵使能技術的蓬勃發展與交叉融合。

數字化設計技術從早期的二維設計發展到三維建模，從三維線框造型進化到三維實體造型、特征造型，產生了諸如直接建模、同步建模、混合建模等技術，以及面向建筑與施工行業的BIM技術（建筑信息模型）。三維建模技術不光用于產品設計階段，并且可以實現三維工藝設計。產品的三維模型中不僅包括幾何信息、裝配關系，還包括PMI（產品制造信息，包括尺寸、公差、形位公差、粗糙度和材料規格等信息）等制造信息，已經可以實現MBD（基于模型的產品定義）。

為了支持產品三維模型的快速瀏覽，可以從包含三維工藝特征的完整三維特征模型中，抽取出僅包括幾何信息的輕量化三維模型。基于三維造型和三維顯示技術，虛擬現實技術（VR）取得了蓬勃發展，廣泛用于汽車、飛機、工廠等復雜對象的虛擬體驗，包括沉浸式虛擬現實系統Cave，用于產品展示和市場推廣的三維渲染技術，以及基于視景仿真的模擬駕駛技術等。近年來又發展起來增強現實技術(AR)，其特點是可以將實物模型和數字化模型融合在一個可視化環境之中，從而實現傳感器數據的可視化，還可以進行產品操作、裝拆及維修過程的三維可視化，實現產品操作培訓、維修維護等應用。

虛擬仿真技術從早期的有限元分析發展到對流場、熱場、電磁場等多個物理場的仿真，多領域物理建模，對振動、碰撞、噪聲、爆炸等各種物理現象的仿真，對產品的運動仿真，及材料力學、彈性力學和動力學仿真，對產品長期使用的疲勞仿真，對整個產品的系統仿真，以及針對注塑、鑄造、焊接、折彎和沖壓等各種加工工藝的仿真，以及裝配仿真，幫助產品實現整體性能最優的多學科仿真與優化，針對數控加工和工業機器人的運動仿真（其中數控仿真又可以分為僅仿真刀具軌跡，以及仿真整個工件、刀具和數控裝備的運動），還有面向工廠的設備布局、產線、物流和人因工程仿真。如果從仿真的對象來區分，虛擬仿真技術可以分為產品性能仿真、制造工藝仿真和數字化工廠仿真。

在數字化設計技術和虛擬仿真技術發展和集成應用的過程中，產生了Digital Mockup（DMU，數字原型）、Digital Prototyping（數字樣機）、Virtual Prototype（虛擬樣機）、Functional Virtual Prototype（全功能虛擬樣機）等技術，主要是用于實現復雜產品的運動仿真、裝配仿真和性能仿真。通過對數字樣機進行虛擬試驗，可以減少物理樣機和物理試驗的數量，從而降低產品研發和試制成本，提高研發效率。

另一方面，隨著傳感器技術和無線通信技術的發展，二十一世紀以來，物聯網應用越來越廣。除在消費領域應用之外，為了支持高價值工業設備的運行監控和維修維護，工業物聯網（IIOT）開始受到業界廣泛關注。IIOT采集的數據類型和采集頻率比普通的物聯網應用高得多，而應用的數學模型和分析方法也比普通的物聯網應用復雜得多。

在學術界的研究和GE、西門子等工業巨頭的示范效應驅動下，數字孿生技術開始受到廣泛關注。2016年6月，我在美國參加西門子工業軟件一年一度的全球媒體與分析師會議時，西門子應用了Digital Twin、Digital Thread（數字主線）等術語。我當時建議他們對這些名詞術語給予解釋，后來西門子給我發來對十多個名詞的解釋，e-works專門對這些名詞術語進行了翻譯，發表了一篇文章。

從數字孿生技術的發展背景可以看出，數字孿生模型是相對于其物理模型而言的。可以先建立數字孿生模型，應用數字孿生模型來進行虛擬試驗，但最終還是要建立物理模型，通過對數字孿生的分析，來優化物理模型的運行。

除了上述技術，工業大數據、人工智能等技術也是數字孿生的關鍵使能技術。

需要強調的是，數字孿生的關鍵使能技術在數字孿生誕生之前就已經存在。而數字孿生的應用，又促進了這些關鍵使能技術的進一步發展。

產品的數字孿生

和工廠的數字孿生

不同物理實體的數字孿生應用重點差別很大。

產品數字孿生應用的重點在于復雜的機電軟一體化裝備，例如發電設備、工程機械、機械加工中心、高端醫療設備、航空發動機、飛機、衛星、船舶、軌道交通裝備、電梯、通信設備，以及能夠實現智能互聯的通信終端產品。

在產品的設計制造生命周期，可以通過在實物樣機上安裝傳感器，在樣機測試的過程中，將傳感器采集的數據傳遞到產品的數字孿生模型，通過對數字孿生模型進行仿真和優化，從而改進和提升最終定型產品的性能；還可以通過半實物仿真的方式，部分零部件采用數字孿生模型，部分零件采用物理模型來進行實時仿真和試驗，驗證和優化產品性能。另一方面，在產品創新設計時，大多數零部件會重用前一代產品的零部件，如果老產品已經建立了關鍵零部件的數字孿生模型，同樣也應當進行重用，從而提升新產品研發效率和質量。

產品服役的生命周期是產品的數字孿生應用最核心的階段。尤其是對于長壽命的復雜裝備，通過工業物聯網采集設備運行數據，并與其數字孿生模型在相同工況下的仿真結果進行比對，可以分析出該設備的運行是否正常，運行績效如何，是否需要更換零部件，并可以結合人工智能技術分析設備的健康程度，進行故障預測等。對于高端裝備產品，其數字孿生模型應當包括每一個實物產品服役的全生命周期數字化檔案。

在產品的報廢回收再利用生命周期，可以根據產品的使用履歷、維修BOM和更換備品備件的記錄，結合數字孿生模型的仿真結果，來判斷哪些零件可以進行再利用和再制造。例如SpaceX公司的一級火箭實現了復用，結合數字孿生技術，可以更加準確地判斷哪些零部件可以復用，從而大大降低了火箭發射的成本。

工廠的數字孿生應用也分為三個方面：在新工廠建設之前，可以通過數字化工廠仿真技術來對構建工廠的數字孿生模型，并對自動化控制系統和產線進行虛擬調試；在工廠建設期間，數字孿生模型可以作為現場施工的指南，還可以應用AR等技術在施工現場指導施工；而在工廠建成之后正式運行期間，可以通過其數字孿生模型對實體工廠的生產設備、物流設備、檢測與試驗設備、產線和儀表的運行狀態與績效，以及生產質量、產量、能耗、工業安全等關鍵數據進行可視化，在此基礎上進行分析與優化，從而幫助工廠提高產能、提升質量、降低能耗，并消除安全隱患，避免安全事故。

目前，已有很多企業建立了生產監控與指揮系統，對車間進行視頻監控，顯示設備狀態（停機、正常、預警和報警等），展示各種分析報表和圖表等。構建數字孿生工廠可以進一步提升工廠運行的透明度。然而，要構建工廠完整的高保真數字孿生模型，需要工廠的建筑、產線、設備和產品的數字孿生模型，難度很大。設備和產線的數字孿生模型構建，有賴于廠商提供相關數據，僅僅通過立體相機拍照，通過逆向工程構建的車間三維模型精度很低，而且也只包括外觀的三維模型。但是，即便是僅僅基本的示意性的低精度的工廠數字孿生模型，對于工廠管理者實時洞察生產、質量和能耗情況，盡早發現設備隱患，避免非計劃停機，也具有實用價值。

需要強調的是，對于一個已經建成投產的工廠，在工廠運行過程中，其數字孿生工廠所顯示的所有數據和狀態信息，均來自真實的物理工廠，而非仿真結果。毫無疑問，要構建數字孿生工廠，需要實現設備數據采集和車間聯網（M2M）。

數字孿生工廠對于離散制造企業和流程制造企業都有十分重要的價值。在考察英國Aveva公司時，我們觀摩了該公司對于化工廠和無人海上鉆井平臺的數字孿生應用展示，數字孿生應用對于工廠的安全運營具有重要意義。

產品數字孿生模型與工廠數字孿生模型在產品的制造過程中可以實現融合應用。在推進工廠的數字孿生應用時，如果有高保真的產品數字孿生模型，并且在此基礎上能夠構建產品的制造、裝配、包裝、測試等工藝的數字孿生模型，以及各種刀具和工裝夾具的數字孿生模型，則可以在數字化工廠環境中，更加精準地對產品制造過程進行分析和優化。

產品數字孿生模型的演進

和數字主線

產品的數字孿生模型是一個“不斷生長、不斷豐富”的過程，在整個產品生命周期中，從產品的需求信息、功能信息、材料信息、使用環境信息、結構信息、裝配信息、工藝信息、測試信息到維護信息，不斷擴展，不斷豐富，不斷完善。數字孿生模型越完整，就越能夠逼近其對應的實體對象，從而對實體對象進行可視化、分析、優化。

如果把產品全生命周期各類數字孿生模型比喻為散亂的珍珠，那么將這些珍珠串起來的鏈子，就是數字主線（Digital Thread）。數字主線不僅可以串起各個階段的數字孿生模型，也包括產品全生命周期的信息，確保在發生變更時，各類產品信息的一致性。

CIMdata認為，數字主線是一種信息交互的框架，能夠打通原來多個豎井式的業務視角，連通設備生命周期數據（也就是其數字孿生模型）的互聯數據流和集成視圖。數字主線通過強大的端到端的互聯系統模型和基于模型的系統工程(MBSE)流程來支撐和支持。波音公司開展了數字孿生和數字主線應用實踐，提出基于模型企業（MBE）“鉆石模型”。

對產品數字孿生模型的仿真分析，可以發現產品出現了什么問題。但如果要探究為什么出現問題，還需要依靠數字主線把各個階段的數字孿生模型串起，來進行整合分析。

埃森哲在其發表的《數字孿生：打造生力產品，重塑客戶體驗》白皮書中非常強調數字主線和數字孿生的密切聯系。所謂生力產品指的是Live Product。埃森哲認為，數字主線是貫穿于公司各個職能部門和產品生命周期的信息流，涵蓋產品構思、設計、供應鏈、制造、售后服務等各個環節，乃至外部的供應商、合作伙伴、和客戶產生的數據，使其能對產品及其運行提供全景的動態信息，賦能數字孿生的開發和更新。數字主線使得產品設計、制造和運維過程中所使用的流程以及所產生的數據能夠鏈接、追溯和管理；而數字孿生是在產品設計至運維的整個生命周期內，使用經過數字主線管控的數據對產品進行建模、對產品的性能、行為進行仿真、預測、診斷和反饋。

數字孿生

在制造業的典型應用場景

數字孿生技術在各個行業有廣泛的應用場景。陶飛教授團隊在《計算機集成制造系統》2018年第1期刊登的“數字孿生及其應用探索”一文中，歸納了14種應用場景，后來又在論文中介紹了數字孿生在航空航天、電力、汽車、石油天然氣、健康醫療、船舶航運、城市管理、智慧農業、建筑建設、安全急救、環境保護等11個領域，45個細分類的應用。

e-works認為，數字孿生在制造業的應用前景廣闊。其中，產品的數字孿生應用覆蓋產品的研發、工藝規劃、制造、測試、運維等各個生命周期，可以幫助企業推進數字化營銷和自助式服務，有助于企業提升維護服務收入，創新商業模式；工廠數字孿生在工廠設計、建造，生產線調試、安裝，工廠運行監控、工業安全等方面都可以對企業帶來價值；數字孿生在供應鏈管理領域也可以應用，例如車間物流調度、運輸路徑優化等。

以下介紹一些數字孿生在制造業的典型應用：

① 產品的運行監控和智能運維。

對于能夠實現智能互聯的復雜產品，尤其是高端智能裝備，將實時采集的裝備運行過程中的傳感器數據傳遞到其數字孿生模型進行仿真分析，可以對裝備的健康狀態和故障征兆進行診斷，并進行故障預測；如果產品運行的工況發生改變，對于擬采取的調整措施，可以先對其數字孿生模型在仿真云平臺上進行虛擬驗證，如果沒有問題，再對實際產品的運行參數進行調整。下圖是ANSYS的數字孿生技術在風電行業應用的案例。通過應用數字孿生技術，可以幫助風電企業避免非計劃性停機，實現預測性維護和運行控制與優化。

對于航空發動機的數字孿生應用，由于每臺發動機的飛行履歷不同，飛行的環境不同，健康服役的壽命，以及維護歷史差別很大，因此，應當對每臺航空發動機建立其對應的數字孿生模型。GE航空對于正在空中運行的航空發動機進行實時監控，一旦出現故障隱患，可以通過對數字孿生模型的分析來預測風險等級，及時進行維修維護，顯著提升了飛行安全。GE航空通過數字孿生模型記錄了每臺航空發動機每個架次的飛行路線、承載量，以及不同飛行員的駕駛習慣和對應的油耗，通過分析和優化，可以延長發動機的服役周期，并改進發動機的設計方案。

在數字孿生應用領域，GE與ANSYS公司開展了戰略合作。通過數字孿生技術的應用，實現產品的健康管理、遠程診斷、智能維護和共享服務。通過結合傳感器數據和仿真技術，幫助客戶分析特定的工作條件并預測故障，從而節約運維成本。GE航空通過匯總設計、制造、運行、完整飛行周期的相關數據，預測航空發動機的性能表現：

○ 將發動機傳感器數據與性能模型結合，根據運行環境的變化和物理發動機性能的衰減，構建自適應模型，精準監測航空發動機的部件和整機性能；

○ 將發動機歷史維修數據中的故障模式注入三維結構模型和性能模型,構建故障模型，應用于故障診斷和預測；

○ 將航空公司歷史飛行數據與性能模型結合并融合數據驅動的方法，構建性能預測模型，預測整機性能和剩余壽命；

○ 將局部線性化模型與飛機運行狀態環境模型融合并構建控制優化模型，實現發動機控制性能尋優，使發動機在飛行過程中發揮更好的性能。

西門子將來自智能傳感器的溫度、加速度、壓力和電磁場等信號和數據，以及來自數字孿生模型中的多物理場模型和電磁場仿真和溫度場仿真結果傳遞到Mindsphere平臺，通過進行對比和評估，來判斷產品的可用性、運行績效和是否需要更換備件。

在復雜裝備的運維方面，可以通過AR技術，基于產品的數字孿生模型生成產品操作、裝配或拆卸的三維動畫。在實物環境下，透過各種穿戴設備或移動終端進行示教。PTC提供了先進易用的AR應用平臺。

② 工廠運行狀態的實時模擬和遠程監控。

對于正在運行的工廠，通過其數字孿生模型可以實現工廠運行的可視化。包括生產設備目前的狀態，在加工什么訂單，設備和產線的OEE、產量、質量與能耗等，還可以定位每一臺物流裝備的位置和狀態。對于出現故障的設備，可以顯示出具體的故障類型。華龍訊達應用數字孿生技術，在煙草行業進行了工廠運行狀態的實時模擬和遠程監控實踐，中煙集團在北京就可以實現對分布在各地的工廠進行遠程監控。海爾、美的在工廠的數字孿生應用方面也開展了卓有成效的實踐。

③ 生產線虛擬調試。

在虛擬調試領域，西門子公司及上海智參、廣州明珞等合作伙伴已開展了很多實踐。虛擬調試技術在數字化環境中建立生產線的三維布局，包括工業機器人、自動化設備、PLC和傳感器等設備。在現場調試之前，可以直接在虛擬環境下，對生產線的數字孿生模型進行機械運動、工藝仿真和電氣調試，讓設備在未安裝之前已經完成調試。

應用虛擬調試技術，在虛擬調試階段，將控制設備連接到虛擬站/線；完成虛擬調試后，控制設備可以快速切換到實際生產線；可隨時切換到虛擬環境，分析、修正和驗證正在運行的生產線上的問題，避免長時間且昂貴的生產停頓。

虛擬調試技術對企業的價值體現在：早期驗證優化研發+工藝+制造的可行性，減少物理樣機投入成本；減少去用戶現場做機器人調試時間和出錯率，節約出差成本；虛實融合后為整個工廠的數字孿生打好基礎，工廠建成之后可以與SCADA系統融合，打造基于三維模型的可視化監控系統，實現工廠的數字孿生。

Maplesoft公司的MapleSim平臺提供了一體化的生產線虛擬調試解決方案。2019年，羅克韋爾自動化公司并購了Emulate3D軟件，作為羅克韋爾Factorytalk/DesignSuite軟件的一部分，可以實現對整個工廠自動化控制系統進行虛擬仿真和虛擬調試，還可以利用工廠的數字孿生模型對員工進行培訓，降低工廠運營的風險。

④ 機電軟一體化復雜產品研發。

對于高度復雜的機電軟一體化產品，可以在研發階段通過構建產品的數字孿生模型，并通過工程仿真技術的應用加速產品的研發, 幫助企業以更少的成本和更快的速度將創新技術推向市場。運用數字孿生技術，能夠綜合利用結構、熱學、電磁、流體和控制等仿真軟件進行單物理場仿真和多場耦合仿真，對產品進行設計優化、確認和驗證，還可以構建精確的綜合仿真模型來分析實際產品的性能，實現持續創新。通過結合創成設計技術(Generative Design)、增材制造技術、半實物仿真技術，可以顯著縮短產品上市周期。

GE公司認為，從概念設計階段開始推進航空發動機的數字孿生應用，更容易地將設計和結構模型與運行數據相關聯，同時，還有助于優化設計，提高生產效率。精航偉泰測控儀器（北京）有限公司提供了基于模型的衛星數字孿生設計解決方案，可以最大程度地將驗證后的設計模型自動轉化為衛星的物理實現，例如可以根據相關設計模型自動生成星載軟件的代碼。

⑤ 數字營銷。

對于尚未上市的新產品，通過發布其概念階段的數字孿生模型，讓消費者選擇更喜歡的設計方案，然后再進行詳細設計和制造，這樣有助于企業提升銷售業績。同時，通過構建基于數字孿生模型的在線配置器，可以幫助企業實現產品的在線選配，實現大批量定制。下圖是比特視界(北京)科技有限公司（BITONE）為寶沃汽車開發的在線配置器，動感十足，可以查看各種配置的外觀和內飾。

數字孿生對制造企業的應用價值

IDC在2018年5月發表的《數字孿生網絡》報告中指出，到 2020 年底，65%的制造企業將利用數字孿生運營產品和/或資產，降低質量缺陷成本和服務交付成本 25%。

產品數字孿生應用的價值是通過虛實融合、虛實映射，持續改進產品的性能、為客戶提供更好的體驗，提高產品運行的安全性、可靠性、穩定性，提升產品運行的“健康度”，在此基礎上提升產品在市場上的競爭力。同時，通過對產品的結構、材料、制造工藝等各方面的改進，降低產品成本，幫助企業提高盈利能力；而工廠數字孿生應用的價值主要體現在構建透明工廠，提升工廠的運營管理水平，提高整體OEE，降低能耗，促進安全生產等方面。要真正實現工廠數字孿生應用的價值，需要裝備用戶企業和裝備制造企業進行深層次的合作。

GE公司對數字孿生的應用價值給出了一段經典描述：數字孿生通過海量的設計、制造、檢測、維修、在線傳感器及運營數據來建立和獲取信息，運用一系列高保真的計算的和基于物理實體的模型，以及高級分析方法來預測資產設備在其全生命周期的健康和績效。數字孿生模型的準確程度隨著時間推移，通過更多數據來對模型進行精煉，以及類似設備部署其數字孿生應用而提升。模型隨著數據的持續采集而不斷修正。數字孿生模型提供了設備的詳細知識，預測對各種可能場景的應對情況，并作為實時參照來構建各種應用系統，以實現優化各類服務，提高績效和效率，改善運維、供應鏈和業務運營等業務價值。[8]

數字孿生技術最早的倡導者之一，NASA國家先進制造中心主任John Vickers認為：“數字孿生模型的最終目標是在虛擬環境中創建、測試和生產所需設備。只有當它滿足我們的需求時，才進行實體生產。然后，又將實體生產過程通過傳感器傳遞給數字孿生模型，以確保數字孿生模型包含我們對實體產品進行檢測所能夠獲得的所有信息。”

另一篇GE發表于2015年的文章指出：數字孿生模型的優勢是通過結合從設計到實時采集設備的數據等相關信息，來對設備在全生命周期進行優化。不僅可以降低原型設計或制造的成本，而且可以通過將實時數據導入數字孿生模型進行分析，從而預測故障，降低維護成本，減少停機時間。

數字孿生的推進策略

e-works認為，數字孿生是制造業推進數字化轉型和智能制造的戰略舉措和現實途徑之一。對于制造企業而言，推進數字孿生應用需要建立明確的目標，以價值為導向，建立跨部門的推進組織，結合IT、自動化、研發、仿真、工藝、測試、設備運維等部門的團隊，并引入專業咨詢機構，務實推進。

數字孿生應用是IT/OT融合的典型應用，要實現虛實映射，需要搭建工業互聯網平臺，明確應用對象的重點是企業生產的產品，還是工廠，亦或是供應鏈；面向產品的數字孿生應用重點是支持產品研發、市場推廣還是運營維護；面向工廠的數字孿生應用重點是工廠或產線建設期間的虛擬調試，還是工廠運營階段的可視化與優化。同時，企業需要建立全三維設計、仿真驅動設計的技術基礎和組織體系。推進數字孿生需要制定整體規劃，但結合具體目標，分步實施，不能搞“大而全”的應用。推進數字孿生應用必須合理把控風險。

在數字孿生的實際應用當中，不可能，也沒有必要盲目追求所有數字孿生模型的“高保真”。因為保真度的提升意味著構建數字孿生模型的難度和成本的大幅度提升，同時，對數字孿生模型進行分析的復雜性和耗時也會迅速攀升。數字孿生模型越復雜，也就越難以實現虛實映射的實時性。在實際應用當中，對所有零部件的多物理場都進行復雜的三維仿真耗時很長，往往會進行降階處理，通過一維仿真對產品的整體性能進行分析。因此，企業需要根據實際應用需求和性能價格比來選擇構建不同保真度的數字孿生模型。

數字孿生

在制造業的應用前景展望

近期，關于數字孿生的討論和爭論很多，這有利于制造企業正確理解和推進數字孿生的應用。e-works認為，數字孿生是一個既具有前瞻性，又易于被各界理解的創新理念，數字孿生這個術語本身的“生命周期”會很長，而不是短期流行的時髦詞匯(Buzzword)。數字孿生理念經過概念炒作階段之后，會逐漸走向務實推進的階段。

目前，圍繞數字孿生技術的討論更多地還集中在概念探討階段，我國制造企業真正開展的實際應用還處于初期階段。正如前一階段各方面熱議，工業互聯網缺乏“殺手級”應用一樣，企業也應該在產品數字孿生和工廠數字孿生領域找到自己的“殺手級”應用。

即使沒有數字孿生，很多裝備制造企業也已經開始通過工業互聯網（工業物聯網）平臺，對正在服役的裝備進行遠程監控，并利用工業大數據和人工智能技術進行預測性維護。那么，通過數字孿生技術實現虛實融合，可以進一步通過對這些裝備運行過程的實時仿真和優化，提升設備運行績效，避免異常事故。同樣，即使沒有數字孿生，很多制造企業也在建設生產監控與指揮系統，實現工廠的可視化、透明化。那么，通過數字孿生技術實現虛實映射，可以更加精準地把控工廠、車間、產線和設備的生產、能耗、質量、物流供應的實時狀態，從而提升工廠的運行績效，避免設備非計劃性停機。因此，數字孿生應用給制造企業帶來的價值是實實在在的。

e-works建議，制造企業應當組織針對數字孿生的培訓，深入研究數字孿生的理念，數字孿生相關產品和解決方案，結合自身的產業特點和實際需求，找到數字孿生應用的突破口。在此基礎上，制定數字孿生應用規劃。

數字孿生應用，長路漫漫，但路就在腳下！從數字孿生應用中獲益的機會，屬于有準備的企業！

“注：本文的第八部分主要由e-works首席記者王陽撰寫。在本文撰寫過程中，得到了李培根院士的指導，并多次向陶飛教授討教，也與趙敏、彭慧等專家進行了探討交流，在此深表感謝！

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