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數(shù)字孿生是一個(gè)新名詞，在過(guò)去兩年中被人們反復(fù)提及，但很多人對(duì)它還不熟悉。

　　根據(jù)國(guó)際定義，數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，綜合多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，以反映相應(yīng)物理設(shè)備的全生命周期過(guò)程。

　　從概念上講，有幾個(gè)核心點(diǎn)：

　　一是物理世界與數(shù)字世界的映射；

　　二是動(dòng)態(tài)映射；

　　三是不僅是物理映射，更是邏輯、行為和過(guò)程的映射，如生產(chǎn)過(guò)程和業(yè)務(wù)過(guò)程。

　　第四，它不僅是從物理世界到數(shù)字世界的映射，而且是一種雙向關(guān)系。也就是說(shuō)，數(shù)字世界也可以通過(guò)計(jì)算和處理給出指令、計(jì)算和控制。

　　第五，整個(gè)生命周期、數(shù)字孿生體和實(shí)體孿生體是相同的，任何實(shí)體孿生體的事件都應(yīng)上傳到數(shù)字孿生體中作為計(jì)算和記錄。物理孿生體在這一操作過(guò)程中的損耗，如故障等，都可以反映在數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)中。

　　數(shù)字孿生的構(gòu)成

　　據(jù)德勤稱，數(shù)字孿生由六部分組成：

　　首先是傳感器：生產(chǎn)過(guò)程中的傳感器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和信號(hào)的傳輸；

　　二是數(shù)據(jù)：將傳感器提供的實(shí)際運(yùn)行和環(huán)境數(shù)據(jù)與企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)（如材料清單、設(shè)計(jì)圖紙等）結(jié)合起來(lái)，形成數(shù)字雙數(shù)據(jù)源；

　　三是集成：傳感器通過(guò)集成技術(shù)（包括邊緣計(jì)算、通信接口等）實(shí)現(xiàn)物理世界和數(shù)字世界之間的數(shù)據(jù)傳輸；

　　第四分析：利用分析技術(shù)進(jìn)行算法仿真和可視化程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析；

　　第五模型：基于上述數(shù)據(jù)和信息，建立物理實(shí)體和過(guò)程的數(shù)字模型，通過(guò)模型計(jì)算物理和生產(chǎn)過(guò)程中是否存在誤差，從而得出解決誤差的方法和行動(dòng)；

　　第六控制器：根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，通過(guò)控制器進(jìn)行動(dòng)作調(diào)整和誤差修正。

　　數(shù)字孿生的歷史與案例

　　2002年，密歇根大學(xué)教授Grieves首次提出了數(shù)字孿生。

　　后來(lái)，美國(guó)航天局將數(shù)字孿生的概念應(yīng)用到阿波羅計(jì)劃中，并開發(fā)了兩個(gè)相同的太空飛行器，以反映地球上的空間狀況，訓(xùn)練和準(zhǔn)備飛行。

　　數(shù)字孿生被Gartner評(píng)為未來(lái)十大最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。Gartner認(rèn)為，到2021年，一半的大型工業(yè)企業(yè)將使用數(shù)字孿生技術(shù)，這將使這些組織的效率提高10%。

　　阿里巴巴的城市大腦提出了“數(shù)字孿生交通”、“數(shù)字孿生城市”和“數(shù)字孿生生態(tài)”三個(gè)數(shù)字孿生藍(lán)圖。

　　GE已經(jīng)擁有120萬(wàn)個(gè)數(shù)字孿生體，可以處理30萬(wàn)種不同類型的設(shè)備資產(chǎn)。

　　數(shù)字孿生的價(jià)值

　　工業(yè)界有一種“工業(yè)領(lǐng)域1%的革命”的說(shuō)法，即全球工業(yè)生產(chǎn)效率提高1%，成本降低300億。

　　數(shù)字孿生可以在工業(yè)、交通、城市、環(huán)保等領(lǐng)域帶來(lái)顯著的效率提升，并將在未來(lái)帶來(lái)巨大的成本降低。具體分為以下幾個(gè)部分：

　　首先，數(shù)字孿生將使生產(chǎn)更加方便，創(chuàng)新更快，生產(chǎn)周期更短。

　　如前所述，數(shù)字孿生通過(guò)設(shè)計(jì)工具、仿真工具、物聯(lián)網(wǎng)等手段，將物理設(shè)備的各種屬性映射到虛擬空間中，形成一個(gè)可拆卸、可復(fù)制、可修改、可刪除的數(shù)字圖像，提高了操作者對(duì)物理實(shí)體的理解。例如，在現(xiàn)實(shí)中，很難理解燃燒鍋爐復(fù)雜的內(nèi)部情況，但數(shù)字孿生可以使您了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實(shí)時(shí)情況，這就解決了許多由于物理?xiàng)l件而無(wú)法完成的操作。

　　其次，數(shù)字孿生將大大提高測(cè)量、分析和預(yù)測(cè)的能力。

　　通過(guò)對(duì)目標(biāo)感知數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)了解，借助于對(duì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)和分析，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)可以計(jì)算和總結(jié)出一些不可測(cè)量的指標(biāo)，從而大大提高對(duì)機(jī)械設(shè)備和過(guò)程的理解、控制和預(yù)測(cè)。

　　數(shù)字孿生幫助數(shù)字化體驗(yàn)。

　　在傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)領(lǐng)域，經(jīng)驗(yàn)往往是一種模糊而難以把握的形式，難以作為準(zhǔn)確判斷的依據(jù)。數(shù)字孿生的一個(gè)重要進(jìn)展是它可以將以前無(wú)法保存的專家經(jīng)驗(yàn)數(shù)字化，并提供保存、復(fù)制、修改和傳輸?shù)哪芰Α?/span>

　　綜上所述，數(shù)字孿生是基于豐富的歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及先進(jìn)的算法模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)象狀態(tài)和行為的數(shù)字表示、仿真測(cè)試和高保真度預(yù)測(cè)。通過(guò)對(duì)物理空間和邏輯空間中的對(duì)象實(shí)現(xiàn)深刻的認(rèn)識(shí)、正確的推理和精確的操作，可以提高設(shè)計(jì)、運(yùn)行、控制和管理的效率。

　　為什么現(xiàn)在會(huì)有數(shù)字孿生呢？它現(xiàn)在處于什么狀態(tài)

　　數(shù)字孿生的出現(xiàn)，是近十年來(lái)感知、網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、人工智能、控制、建模等技術(shù)的集中爆發(fā)。特別是隨著傳感器和低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，物理世界的動(dòng)態(tài)可以通過(guò)傳感器準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地反饋到數(shù)字世界。數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化由實(shí)到虛，網(wǎng)絡(luò)智能由虛到實(shí)。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)的交互和不斷的迭代，實(shí)現(xiàn)了物理世界的最佳有序運(yùn)行。

　　目前，雖然數(shù)字孿生技術(shù)在世界上還處于初級(jí)階段，但只有一些大公司嘗試在一些領(lǐng)域和環(huán)節(jié)運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)來(lái)改造一些設(shè)備和工藝，如通用電氣、阿里巴巴、微軟等。

　　數(shù)字孿生與CAD/PLM/工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之間的區(qū)別

　　（1）數(shù)字孿生與CAD的區(qū)別

　　CAD模型是一個(gè)數(shù)學(xué)模型，它可以是二維或三維的；數(shù)字孿生體必須是三維的。

　　數(shù)字孿生機(jī)與CAD的一個(gè)非常重要的關(guān)系是數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，它可以實(shí)現(xiàn)裝配關(guān)系數(shù)據(jù)、制造信息數(shù)據(jù)、功能性能數(shù)據(jù)、健康檢測(cè)數(shù)據(jù)、身份識(shí)別數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)三維與數(shù)據(jù)的集成；

　　CAD模型通常是靜態(tài)的而非自動(dòng)的，其作用僅限于設(shè)計(jì)階段；而數(shù)字孿生機(jī)則貫穿于從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)再到倉(cāng)儲(chǔ)物流的整個(gè)生命周期，數(shù)據(jù)反饋和控制是交互的。

　　數(shù)字孿生是一種基于高保真度的三維CAD模型。它被賦予各種屬性和功能定義，包括材料、感知系統(tǒng)、機(jī)器運(yùn)動(dòng)機(jī)制等，通常存儲(chǔ)在圖形數(shù)據(jù)庫(kù)中，而不是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中。

　　（2）數(shù)字孿生與PLM的區(qū)別

　　數(shù)字孿生與PLM關(guān)系密切。數(shù)字孿生可以使用PLM管理產(chǎn)品或設(shè)備的生命周期，還可以從PLM軟件輸出文件。

　　然而PLM以前雖然叫做產(chǎn)品全生命周期的管理，但從一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、到服務(wù)的全過(guò)程而言，PLM顯然是沒有完成任務(wù)。它的作用，到了制造的后期，往往戛然而止了。大量在制造中發(fā)生的工程狀態(tài)更改，往往無(wú)法返回給研發(fā)設(shè)計(jì)師。

　　隨著數(shù)字孿生的出現(xiàn)，實(shí)物產(chǎn)品（包括損耗和報(bào)廢）的全過(guò)程數(shù)字化呈現(xiàn)，使得“全生命周期”的概念透明化，產(chǎn)品的自動(dòng)化管理成為一種現(xiàn)實(shí)而實(shí)用的方法。

　　（3）數(shù)字孿生與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別

　　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是數(shù)字孿生的孵化器。通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各種物理實(shí)體的數(shù)據(jù)采集和交換。它將機(jī)器和物理基礎(chǔ)設(shè)施連接到數(shù)字孿生上，并將數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)分別放置在邊緣或云上。可以說(shuō)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)激活了數(shù)字孿生的生命，它具有雙向存取的特點(diǎn)，使數(shù)字孿生成為一個(gè)具有生命力的真實(shí)模型。

　　數(shù)字孿生系統(tǒng)的核心是在正確的時(shí)間和場(chǎng)景下，根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)做出正確的決策，這意味著更好的客戶服務(wù)。數(shù)字孿生是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要場(chǎng)景，也是工業(yè)應(yīng)用的完美合作伙伴。