暢想一下數(shù)字孿生

開車的人都怕遇到這種情況：車輛在野外突然拋錨，自己不會修，附近也沒維修店。如果這輛車配有一個數(shù)字孿生系統(tǒng)，與它一同運轉(zhuǎn)，實時顯示車輛各部分運行狀況，提前告知可能會出現(xiàn)的故障以進行維護，那么就能減少車輛意外拋錨情況的發(fā)生。

這項功能被稱為“預(yù)測性維護”，是數(shù)字孿生技術(shù)的重要優(yōu)勢。數(shù)字孿生針對物理空間中的“實體”，與“實體”對應(yīng)，采用數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)建的虛擬模型也稱為“虛體”( 等同“數(shù)字孿生體”)，也就是指物理空間中的對象在虛擬空間中的數(shù)字模型。

該模型通過傳感器隨時獲取真實物體的數(shù)據(jù)，并隨之一起演變、成熟甚至衰老。利用該模型，人們可以對物理對象進行分析、預(yù)測、診斷或者訓(xùn)練，從而優(yōu)化和決策。這個數(shù)字模型就像是真實物體的孿生兄弟，因而得名。小到一顆螺絲釘，大到一座城市，物理世界中的各種事物均可擁有數(shù)字孿生模型。

數(shù)字孿生的起源

這里主要探討生產(chǎn)制造中產(chǎn)品的數(shù)字孿生技術(shù)，實際上，數(shù)字孿生概念也是基于產(chǎn)品全生命周期管理提出來的。從全生命周期的觀點看，將制造分為規(guī)劃設(shè)計、生產(chǎn)制造和運行服務(wù)3 個階段。

2003 年密歇根大學(xué)教授Dr. Michael Grieves 在產(chǎn)品全生命周期管理PLM 課程的文檔中提出了“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化表達”的概念，包括了物理空間的實體產(chǎn)品、數(shù)字空間的虛擬產(chǎn)品及兩者之間的數(shù)據(jù)和信息過程接口，把虛擬產(chǎn)品從設(shè)計階段帶入到制造和運行的全生命周期，這被認為是數(shù)字孿生概念的雛形。

廣義上講數(shù)字孿生就是用來在虛擬空間中建立有形的物理空間孿生體的技術(shù)。

工業(yè)制造中的數(shù)字孿生

在規(guī)劃設(shè)計階段人們已利用計算機建立物理實體的模型進行仿真，隨著CAD 及仿真技術(shù)的發(fā)展，不僅要求“模型”在離線時更加逼真全面的代表實體，而且在在線時能夠?qū)崟r反映實體的狀態(tài)，特別是能提前預(yù)測出實體的狀態(tài)。

智能制造包含設(shè)計、生產(chǎn)和運維階段的時間維度，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用各有區(qū)別。

（1）設(shè)計階段。人們經(jīng)過協(xié)同設(shè)計，完成產(chǎn)品的設(shè)計工作，創(chuàng)建產(chǎn)品的設(shè)計模型 ——數(shù)字孿生體。可利用虛擬使用環(huán)境，對可制造性、可實用性進行仿真驗證，之后可進入生產(chǎn)階段。

（2）生產(chǎn)階段。產(chǎn)品制造是虛實融合的過程，物理工廠的數(shù)字孿生運行在云平臺的虛擬空間中，同時，物理設(shè)備及由傳感器組成的物聯(lián)網(wǎng)IoT通過低時延網(wǎng)絡(luò)如時間敏感性網(wǎng)絡(luò)TSN\5G等進行數(shù)據(jù)交換。通過模型交互得到預(yù)測數(shù)據(jù)，在控制周期中完成對加工過程的優(yōu)化控制。

（3）運維階段。數(shù)字孿生體既滿足對產(chǎn)品使用狀態(tài)的實時監(jiān)控，在云平臺上對產(chǎn)品功能和性能進行分析、預(yù)測，對問題進行預(yù)警；也可以在操作培訓(xùn)和使用指導(dǎo)方面，借助虛實融合技術(shù)數(shù)字孿生也能提供更加逼真的效果。

總而言之，數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品全生命周期的各個階段有其不同的體現(xiàn)和作用，在以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為架構(gòu)平臺的智能制造系統(tǒng)中，數(shù)字虛體主要生存在云平臺層，其面向控制維度的模型布置在邊緣層，參與實時控制。

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