2251數(shù)字孿生是綜合運用感知、計算、建模等信息技術，通過軟件定義，對物理空間進行描述、診斷、預測、決策，進而實現(xiàn)物理空間與數(shù)字空間的交互映射。
數(shù)字孿生發(fā)展歷程
2003年，數(shù)字孿生最初是在格里夫斯的產(chǎn)品生命周期管理（PLM）執(zhí)行課程中提出，他將其定義為三個維度，包括一個“物理實體”、一個“數(shù)字對應物”和一個將兩部分聯(lián)系在一起的“連接”。
2010年，美國宇航局在《建模、仿真、信息技術》草案中詳細闡述了航天飛行器數(shù)字孿生的定義和功能，“一個綜合的多物理場、多尺度的飛行器或系統(tǒng)模擬，使用最佳可用的物理模型、傳感器數(shù)據(jù)更新、歷史數(shù)據(jù)等來反映其相應壽命”。
2011年，美國空軍探索了數(shù)字孿生在飛機結(jié)構健康管理中的應用。
2012年，美國宇航局和美國空軍聯(lián)合發(fā)表了一篇關于數(shù)字孿生的論文，指出它是未來飛行器的關鍵技術。
2014年，數(shù)字孿生白皮書發(fā)表，其三維度結(jié)構得到廣泛宣傳。隨后，它被引入航空航天工業(yè)以外的更多領域，如汽車、石油和天然氣、醫(yī)療保健和醫(yī)藥等。
2020年，工信部牽頭發(fā)布《數(shù)字孿生白皮書》。
數(shù)字孿生的價值
數(shù)字孿生的概念非常大。我們簡單的看一下這個概念所提供的典型的好處:
1、可見性：數(shù)字孿生能夠?qū)崿F(xiàn)機器操作的可見性，以及制造工廠或者機場中大型的互聯(lián)系統(tǒng)的可見性。
2、預測性：使用多種建模技術(基于物理和基于數(shù)學的)，數(shù)字孿生模型能夠用于預測機器未來的狀態(tài)。
3、假設分析：通過適當設計的接口，可以很容易的與模型進行交互，并且對模型詢問假設問題，來模擬現(xiàn)實中無法創(chuàng)建的各種條件。
4、連接不同的系統(tǒng)：如果設計的正確，數(shù)字孿生模型能夠用來連接后端的業(yè)務應用，在供應鏈運作中實現(xiàn)業(yè)務成果，包括制造、采購、倉儲、運輸、物流、現(xiàn)場服務等。
數(shù)字孿生的核心
1、模型
數(shù)字孿生對于每個物理對象，都有一個“數(shù)字鏡像”存在于虛擬世界中，并與它在整個生命周期中一起“工作”。數(shù)字孿生的模型，不僅僅是3D模型，它包括幾何尺寸、物理特性和行為等，具有實時同步、可靠映射和高保真等特點。
2、數(shù)據(jù)
數(shù)字孿生數(shù)據(jù)由五部分組成：一是來自物理實體的數(shù)據(jù)，主要包括運行狀態(tài)和工作條件；二是來自虛擬鏡像的數(shù)據(jù)，由模型參數(shù)和模型運行數(shù)據(jù)組成；三是來自服務應用的數(shù)據(jù)，描述服務的封裝、組合、調(diào)用等；四是從收集的數(shù)據(jù)中挖掘或從現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)中獲取的領域知識；最后是以上數(shù)據(jù)的融合處理數(shù)據(jù)，可以通過數(shù)據(jù)融合算法（如神經(jīng)網(wǎng)絡、D-S算法和卡爾曼濾波）獲得。
3、服務
服務又分為面向物理實體和面向虛擬鏡像兩種服務。這些服務通過實時調(diào)節(jié)使物理實體按預期工作，并通過物理實體與鏡像模型的關系校準以及模型參數(shù)校準保持虛擬鏡像的高保真度。
4、連接
從概念圖可以看到，在五維數(shù)字孿生中的連接，不止于物理實體與虛擬鏡像之間的連接，還包括他們與服務以及數(shù)字孿生數(shù)據(jù)之間的雙向連接。由此也可以看出，數(shù)字孿生中服務和數(shù)據(jù)角色的增加，也帶來了整個體系角色之間聯(lián)系的復雜化。
當代數(shù)字孿生的五個維度概念
PE表示物理實體，VE表示虛擬實體，SS表示服務（應用），DD表示孿生數(shù)據(jù)，CN表示各組成部分間的連接。
智能制造數(shù)字孿生整體架構
近年來，數(shù)字孿生得到越來越廣泛的傳播。同時，得益于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息技術的發(fā)展以及“工業(yè)4.0”的推進，數(shù)字孿生在智能制造領域已逐步開始落地。
智能制造領域的數(shù)字孿生體系框架主要分為六個層級，包括基礎數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)交互層、基礎模型層、仿真分析層，功能層和應用層。
智能制造領域數(shù)字孿生體系框架
基礎數(shù)據(jù)層 ：數(shù)據(jù)是基礎，建立數(shù)字孿生要以大量相關數(shù)據(jù)為依據(jù)，需要從各方面獲取數(shù)據(jù)來完善自身建模，建模的完整度與數(shù)據(jù)的完整性成正比。數(shù)據(jù)大致上可分為三類：
（1）設備數(shù)據(jù)，具體可分為行為特征數(shù)據(jù)（如振動、加工精度等），設備生產(chǎn)數(shù)據(jù)（如開機時長，作業(yè)時長等）和設備能耗數(shù)據(jù)（如耗電量等）；
（2）儀表數(shù)據(jù)，如溫度、大氣壓力、濕度、泵壓力等；
（3）流程數(shù)據(jù)。即描述各流程之間的邏輯關系的數(shù)據(jù)，如生產(chǎn)排程、物料拉動、出入庫等 。
數(shù)據(jù)交互層 ：工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)一般通過分布式控制系統(tǒng)（ DCS）、可編程邏輯控制器系統(tǒng)（ PLC）和智能檢測儀表進行采集。近些年來，隨著深度學習、視覺識別技術的發(fā)展，各類圖像、聲音采集設備也逐漸被應用于數(shù)據(jù)采集中 。
數(shù)據(jù)采集后就需要進行傳輸，數(shù)據(jù)傳輸是實現(xiàn)數(shù)字孿生至關重要的一部分。數(shù)字孿生模型是動態(tài)的，建模和控制基于實時上傳的采樣數(shù)據(jù)進行，對信息傳輸和處理時延有較高的要求。因此，數(shù)字孿生需要先進可靠的數(shù)據(jù)傳輸技術，具有更高的帶寬、更低的時延、支持分布式信息匯總，并且具有更高的安全性，從而能夠?qū)崿F(xiàn)設備、生產(chǎn)流程和平臺之間的無縫、實時的雙向整合 / 互聯(lián)?，F(xiàn)今良好的網(wǎng)絡通訊環(huán)境為數(shù)字孿生技術的應用提供基礎技術支撐，包括更好的交互體驗、海量的設備通信以及高可靠低延時的實時數(shù)據(jù)交互。
接收到關鍵數(shù)據(jù)后可進行數(shù)據(jù)仿真處理，即虛擬實體實時動態(tài)映射物理實體的狀態(tài)，在虛擬空間通過仿真驗證控制效果，根據(jù)產(chǎn)生的洞察反饋至物理資產(chǎn)和數(shù)字流程，形成數(shù)字孿生的落地閉環(huán)。數(shù)字孿生的交互包括物理 - 物理、虛擬 - 虛擬、 物理 - 虛擬、人機交互等交互方式 。
（1）物理物理交互：使物理設備間相互通信、協(xié)調(diào)與寫作，以完成單設備無法完成的任務 ；
（2）虛擬 - 虛擬交互：以連接多個虛擬模型，形成信息共享網(wǎng)絡
（3）物理 - 虛擬交互：虛擬模型與物理對象同步變化，并使物理對象可以根據(jù)虛擬模型的直接命令動態(tài)調(diào)整；
（4）人機交互：即用戶和數(shù)字孿生系統(tǒng)之間的交互。使用者通過數(shù)字孿生系統(tǒng)迅速掌握物理系統(tǒng)的特性和實時性能，識別異常情況，獲得分析決策的數(shù)據(jù)支持，并能便捷地向數(shù)字孿生系統(tǒng)下達指令。比如，通過數(shù)字孿生模型對設備控制器進行操作，或在管控供應鏈和訂單行為的系統(tǒng)中進行更新。
數(shù)據(jù)建模與仿真層 ：建立數(shù)字孿生的過程包括建模與仿真。建模即建立物理實體虛擬映射的 3D 模型，這種模型真實地在虛擬空間再現(xiàn)物理實體的外觀、幾何、運動結(jié)構、幾何關聯(lián)等屬性，并結(jié)合實體對象的空間運動規(guī)律而建立。仿真模型則是基于構建好的 3D 模型，結(jié)合結(jié)構、熱學、電磁、流體等物理規(guī)律和機理，計算、分析和預測物理對象的未來狀態(tài)。
智能制造數(shù)字孿生應用
數(shù)字孿生模型常用于以下幾個方面：
1、仿真優(yōu)化 ：使用天氣、能源成本或性能因素等變量，觸發(fā)模型運行成百上千個假設分析仿真，對當前狀態(tài)的虛擬實體進行評估。 這樣就能夠在實驗階段中對虛擬實體進行優(yōu)化或控制，從而緩解風險、降低成本和提高效率。
2、預測性維護 ：在工業(yè) 4.0 應用中，模型可以用來確定剩余使用壽命，通知運營部門在最適當?shù)臅r間檢修或更換設備。
3、異常檢測 ：模型與實際資產(chǎn)并行運行，并會立即標記偏離預期（仿真）行為的運營行為。數(shù)字孿生模型會尋找運營行為中的異?，F(xiàn)象，以幫助避免災難性破壞。
4、故障隔離：異?？赡苡|發(fā)一連串的仿真，以便隔離故障，識別根本原因，使工程師或系統(tǒng)能夠采取適當措施。
實施系統(tǒng)架構
對于數(shù)字孿生的具體實施，根據(jù)不同案例的總結(jié)，其基本的系統(tǒng)架構如下，可在此基礎上根據(jù)各項目需求的不同進行細化補充：
系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)大部分來自于底層PLC相關設備，最常用的數(shù)據(jù)集成方式就是通過OPC協(xié)議，當然也可通過Modbus、webservice等接口協(xié)議，上位根據(jù)需求開發(fā)相應接口，來建立連接。
孿生產(chǎn)線：依據(jù)現(xiàn)場實際布局，建立基于離散系統(tǒng)仿真的虛擬生產(chǎn)線，并建立通過接口可以接收調(diào)度 指令的控制模型和物流模型，用于與實際生產(chǎn)線的同步驗證、虛擬調(diào)試。
仿真數(shù)據(jù)庫：建立與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫一致的仿真生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫，并仿真運行，保存產(chǎn)生的實時仿真生產(chǎn)數(shù)據(jù)。
應用案例
1、 工廠物流配送
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三維設備模型建立
通過相關專業(yè)軟件，完成設備的建模、輕量化和分解工作。
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設備單元仿真模型建立
按照生產(chǎn)設備的單元輸入?yún)?shù)，以單體設備為單元在仿真系統(tǒng)中建立虛擬仿真模型。
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構建機理模型模型建立
根據(jù)業(yè)務場景需求，構建機理模型，實現(xiàn)基于生產(chǎn)過程實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的仿真過程。
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系統(tǒng)互連
通過 OPC UA 解決不同系統(tǒng)間的接口集成和信息協(xié)同的互操作問題。
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試驗分析與輔助決策
通過仿真及機理模型，對系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)進行多參數(shù)多水平的仿真試 驗分析，根據(jù)試驗分析的結(jié)果進行輔助決策。
應用數(shù)字孿生技術能驗證和優(yōu)化庫存容量水平、設備參數(shù)及參數(shù)等設計技術指標，還能校驗信息系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的準備性和完整性，不僅能發(fā)現(xiàn)物流規(guī)劃方案中存在的問題，還可以進一步挖掘管理中存在的問題。
2、瓶裝飲料工廠
飲料生產(chǎn)線一般的處理工藝為：儲罐→過濾器→化糖鍋→雙聯(lián)過濾→調(diào)配系統(tǒng)→雙聯(lián)過濾器→均質(zhì)→脫氣→殺菌機→保溫罐→沖洗灌裝封蓋→上蓋機→吹干機→噴碼機→貼標機→紙箱包裝。
根據(jù)其工廠設備布局及生產(chǎn)工藝構建虛擬孿生工廠車間，真實還原現(xiàn)實物理生產(chǎn)車間，并模擬生產(chǎn)過程，實現(xiàn)對各個生產(chǎn)流程的可視化，同時直觀的反應出各流程的實時狀態(tài)。
利用數(shù)字孿生可以加快產(chǎn)品導入的時間，提高產(chǎn)品設計的質(zhì)量、降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品的交付速度。在服務階段，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術和三維大數(shù)據(jù)可視化技術，采集產(chǎn)品運行階段的環(huán)境和工作狀態(tài)，并通過數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化來避免產(chǎn)品的故障，改善用戶對產(chǎn)品的使用體驗。
3、智能實驗室
漢思助力上海某國際獨立第三方檢測、檢驗和認證機構完成其智能實驗室的落地。智能實驗室是基于德國工業(yè)4.0參考架構模型來打造的，這標志著無人化、智能化、信息化、云端化，從TIC行業(yè)中從理論走向?qū)嶋H的完美呈現(xiàn)。
實驗室主要是對辦公座椅錐形壓力管進行強度和疲勞測試，將通過專業(yè)測量儀器對管件以小于30HZ的頻率進行300萬次交變矩應力疲勞測試。完成后還將進行磁粉探傷測試。
通過數(shù)字化仿真平臺，將智能實驗室的整體工藝及自動化實現(xiàn)過程進行了完美復現(xiàn)。通過專家系統(tǒng)中的深層神經(jīng)網(wǎng)絡算法、數(shù)據(jù)分析、工藝參數(shù)優(yōu)化等方法，提高了系統(tǒng)的自學習能力及效率。
同時通過漢思ThingBelt平臺進行數(shù)據(jù)采集、工況展示、異常展示統(tǒng)計、訂單管理等功能。充分展現(xiàn)了“上下貫通，左右協(xié)同，資源共享”的工業(yè)4.0實驗室特色。
