“到2035年，當航空公司接收一架飛機的時候，將同時驗收另外一套數(shù)字模型，它就像飛機的一個忠誠影子，伴隨一生，從不消失” 。

——美國《航空周刊》

Digital Twin本文稱為“數(shù)字孿生”，也被稱為“數(shù)字鏡像”、“數(shù)字雙胞胎”或“數(shù)字化映射”等，是以數(shù)字化方式為物理對象創(chuàng)建的虛擬模型，來模擬其在現(xiàn)實環(huán)境中的行為。Digital Twin代表了物理世界與虛擬世界的融合，是2017年著名咨詢公司Gartner 公司選出的影響未來十大戰(zhàn)略關(guān)鍵技術(shù)趨勢之一。

未來每一個工業(yè)產(chǎn)品從都有一個動態(tài)的數(shù)字化映像與其相伴相生，貫穿從產(chǎn)品設計、制造到部署、運營的完整生命周期，用戶可以完整地審視每一個產(chǎn)品個體的設計、制造和運營過程中的數(shù)字化軌跡。這個數(shù)字化映像實時收集產(chǎn)品運營數(shù)據(jù)，通過分析預測故障并提前報警，以提前安排并制訂預防性維修計劃，最大程度地降低產(chǎn)品運營的宕機率，甚至通過歷史數(shù)據(jù)的積累和仿真分析，向工業(yè)產(chǎn)品的設計過程不斷反饋運營中總結(jié)的產(chǎn)品需求并衍生出設計策略，形成產(chǎn)品的優(yōu)化改進機制，不斷提高產(chǎn)品的用戶體驗。

“孿生（Twin）”的概念最早可追溯到美國國家航空航天局NASA的阿波羅項目。NASA同時制造了兩個完全一樣的空間飛行器，留在地球上的飛行器被稱為“模擬器”或“孿生體”。孿生體用來反映正在執(zhí)行任務的空間飛行器的狀態(tài)，通過在孿生體中進行仿真試驗，從而輔助太空軌道上的航天員在緊急情況下做出最正確的決策。從這個角度可以看出，孿生體實際上是通過仿真實時反映真實運行情況的樣機或模型。

▲ 圖1：阿波羅項目的地面模擬器（孿生體）

數(shù)字化建模和仿真技術(shù)巨大發(fā)展使得數(shù)字環(huán)境下的“孿生體”構(gòu)建成為可能，即在計算機的虛擬空間中構(gòu)建出與物理孿生類似的數(shù)字化映像，通過對物體實體傳感信號的接入，實現(xiàn)模擬的環(huán)境感知和模擬決策。

Digital Twin一詞的起源可以回溯到2003年Michael Grieves教授在美國密歇根大學推動PLM中心建設的演講材料。Grieves教授在材料中首次提出了“PLM理想概念模型”，闡述了當前所提的Digital Twin的完整要素，包括：物理空間、虛擬空間、聯(lián)接物理空間和虛擬空間的數(shù)據(jù)流、聯(lián)接物理空間和虛擬空間甚至虛擬子空間的信息流。

▲ 圖2：包含Digital Twin完整要素的PLM理想概念模型

2014年，Michael Grieves教授在其撰寫的“Digital Twin: Manufacturing Excellencethrough Virtual Factory Replication”白皮書中進行了詳細的闡述。同年，美國國防部、PTC公司、西門子公司、達索公司等都接受了“Digital Twin”這個術(shù)語，并開始在市場宣傳中使用。

隨著信息處理技術(shù)以及工業(yè)建模、仿真和傳感技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化的設計與制造走向前臺，Digital Twin逐漸被航天航空行業(yè)引入作為飛行器數(shù)字化實體概念模型的基礎(chǔ)，以實現(xiàn)物理世界與數(shù)字世界的互為參考和融合。為了持續(xù)推動外太空科學探索飛行器的發(fā)展，NASA于2010年正式將Digital Twin的發(fā)展列入技術(shù)發(fā)展路線圖，并在2011提出基于Digital Twin發(fā)展下一代戰(zhàn)斗機和航天飛行器。

Digital Twin（數(shù)字孿生）是指利用數(shù)字技術(shù)對物理實體對象的特征、行為、形成過程和性能等進行描述和建模的過程和方法，構(gòu)建與現(xiàn)實世界中的物理實體完全對應和一致的虛擬模型，其可實時模擬其在現(xiàn)實環(huán)境中的行為和性能。理想狀態(tài)下，數(shù)字孿生模型與其所要反映的物理實體在幾何特性（幾何形狀和尺寸）、物理特性（結(jié)構(gòu)組成、不同物理尺度上的屬性和特征）和應用特性（實現(xiàn)功能和性能的邏輯原理）上基本完全表現(xiàn)一樣，可以允許通過仿真等方式來反映宏觀和微觀上真實的運行情況和狀態(tài)。

隨著物聯(lián)技術(shù)的發(fā)展，利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多科學、多物理量、多尺度的仿真過程越來越精確。美國國防部已經(jīng)將數(shù)字孿生應用于航空航天飛行器的健康維護與保障中，通過在數(shù)字空間建立真實飛機的模型，借助傳感器實現(xiàn)與飛機真實狀態(tài)完全同步，每次飛行后，根據(jù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有情況和過往載荷，及時分析評估是否需要維修，能否承受下次的任務載荷等。

美國國防采辦大學對數(shù)字孿生的定義是充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應實作產(chǎn)品的全生命周期過程，其中物理產(chǎn)品模型的內(nèi)容可包括物理產(chǎn)品構(gòu)型、材料微觀結(jié)構(gòu)、瑕疵、制造異常等。

▲ 圖3：飛機機身的數(shù)字孿生

目前，已經(jīng)有一些工廠及生產(chǎn)線引入數(shù)字孿生的實例，在工廠沒有建造之前，進行仿真和模擬，有效減少誤差和風險。等工廠和生產(chǎn)線建成之后，日常運行和維護的數(shù)據(jù)回傳到數(shù)字孿生體，能夠迅速找出問題，提高工作效率。

在未來，在虛擬空間都將存在一個與實體空間里的實體產(chǎn)品完全一模一樣的數(shù)字孿生體，物理工廠在虛擬空間有對應的工廠數(shù)字孿生體，物理車間在虛擬空間有對應的車間數(shù)字孿生體，物理生產(chǎn)線在虛擬空間有對應的生產(chǎn)線數(shù)字孿生體等。

可以說，數(shù)字孿生是從虛擬制造、數(shù)字樣機等技術(shù)上發(fā)展而來，現(xiàn)在已經(jīng)拓展到智能制造、預測設備故障以及改進產(chǎn)品等多個領(lǐng)域。

基于數(shù)字孿生的虛擬工廠，以系統(tǒng)仿真技術(shù)為核心，構(gòu)建能真實模擬實際工廠運行的仿真運行環(huán)境，通過遍布全廠的海量傳感器采集現(xiàn)實生產(chǎn)制造過程中的所有實時數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)數(shù)量非常巨大，可實時、快速地反映生產(chǎn)中的任何細節(jié)?；谶@些生產(chǎn)數(shù)據(jù)，在計算機虛擬環(huán)境中，應用數(shù)字化模型、大數(shù)據(jù)分析、3D虛擬仿真等方法，可對整個生產(chǎn)過程進行仿真、評估和優(yōu)化，使虛擬世界中的生產(chǎn)仿真與物理世界中的生產(chǎn)無縫融合，利用虛擬工廠的靈活可變優(yōu)勢，來促進現(xiàn)實生產(chǎn)。

虛擬工廠與物理工廠實時同步運行，物理工廠生產(chǎn)時的數(shù)據(jù)參數(shù)、生產(chǎn)環(huán)境等都會通過傳感系統(tǒng)在虛擬工廠進行真實反映，一方面利用三維可視化技術(shù)將生產(chǎn)場景真實展現(xiàn)出來，生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時驅(qū)動三維場景中的設備，使其狀態(tài)與真實生產(chǎn)場景一致，從而讓管理者充分了解整個生產(chǎn)場景中各設備的運行狀況；另外一方面將通過數(shù)字孿生中構(gòu)建的虛擬工廠數(shù)字模型，幫助工廠制定更明智的決策，快速提高生產(chǎn)效率、降低成本和實現(xiàn)質(zhì)量目標，完美支持生產(chǎn)制造中過程可控、可追溯和柔性化。

▲ 圖4：基于數(shù)字孿生的虛擬工廠

“數(shù)字孿生”的魅力究竟在哪里呢？以上基于數(shù)字孿生的虛擬工廠的運用，我們可以看到，數(shù)字孿生可以有效支撐產(chǎn)品設計、制造和運維保障的全生命周期過程，真正地掀起一場對現(xiàn)有以產(chǎn)品為中心的商業(yè)運營體系的革命。

我們認為，通過數(shù)字孿生實現(xiàn)數(shù)字化研制體系的完整閉環(huán)，可以將數(shù)字化技術(shù)應用于產(chǎn)品設計、制造以及運營等產(chǎn)品全生命周期中，通過數(shù)字化的建模和仿真，在虛擬的環(huán)境中不斷地產(chǎn)品進行驗證和測試，從而形成更合理的制造規(guī)劃及清晰的生產(chǎn)控制，以最大程度地消除在后期運營中可能存在的缺陷，不斷地改善產(chǎn)品的用戶體驗。

很多文章提到數(shù)字孿生，很詳細的介紹了其在設計、生產(chǎn)階段的功用，可以預測設計質(zhì)量和制造過程，合理的規(guī)劃制造及控制生產(chǎn)，其實它在產(chǎn)品出廠后的運維階段的作用也十分明顯。因為即便是在運用數(shù)字化研制體系的傳統(tǒng)產(chǎn)品部署和交付模式下，產(chǎn)品被交付給用戶之后，其本身無法直接與原制造商進行自動的數(shù)據(jù)聯(lián)系與反饋，通過所謂“售后服務”的方式進行產(chǎn)品的后期運營維護和用戶關(guān)懷，無論產(chǎn)品本身的運營參數(shù)、狀態(tài)表現(xiàn)以及用戶的操作習慣、維護策略，所有與產(chǎn)品運營效能相關(guān)的關(guān)鍵信息就如斷線的風箏，中斷了與原制造商的聯(lián)系，無法維系產(chǎn)品設計與用戶需求的有效互動。

▲ 圖5：從設計、制造到運營的數(shù)字化閉環(huán)

我們必須看到，數(shù)字孿生最顯而易見的運用場景就是工業(yè)產(chǎn)品的后期運營服務環(huán)節(jié)，通過利用設計階段創(chuàng)建的可視化模型、運營機理模型、仿真模型構(gòu)成了安裝在現(xiàn)場工業(yè)產(chǎn)品的數(shù)字孿生，并通過產(chǎn)品中嵌入的智能傳感器捕獲運營中的數(shù)據(jù)，就可以得到工業(yè)產(chǎn)品效能和運營條件的全方位視圖，一方面對運營維護進行提前的規(guī)劃，另一方面通過后期運營維護數(shù)據(jù)的積累和分析，對于產(chǎn)品的不同工況下所表現(xiàn)出不同工作狀態(tài)，反饋回設計階段進行針對性地改進，傳感技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使得產(chǎn)品的運維優(yōu)化和工程設計的改進的鏈路已接打通，驅(qū)動產(chǎn)品設計不斷進行迭代更新，以更快的速度及時響應用戶的需求。

▲ 圖 6：運維優(yōu)化到工程設計的改進

在萬物互聯(lián)的智能時代，一旦企業(yè)能夠妙用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)與數(shù)字孿生技術(shù)，一方面就可以有效匯集來自外圍環(huán)境或設備的大量資料，二方面更可善用這些數(shù)據(jù)，在猶如真實世界化身的數(shù)碼世界里執(zhí)行模擬運算，通過接收傳感數(shù)據(jù)不斷與現(xiàn)實中的物理產(chǎn)品保持狀態(tài)更新，并根據(jù)產(chǎn)品的數(shù)字模型模擬出產(chǎn)品運用中的各種物理、功能和性能特性，從而及早預測設備的潛在故障因子。如此一來，企業(yè)毋需耗費高昂的成本代價購置大量裝置或設備，即可透過數(shù)字孿生這個虛擬鏡像，持續(xù)不斷進行分析與測試，并隨時針對異常狀態(tài)進行修補與復原，藉此縮短產(chǎn)品研制中各種創(chuàng)新活動的試錯過程，易于維系創(chuàng)新產(chǎn)品的質(zhì)量與穩(wěn)定性，并根據(jù)仿真需求提前修復與規(guī)劃設備服務，規(guī)劃制程、產(chǎn)線或整座工廠布局，通過產(chǎn)品的不斷提高用戶體驗提升企業(yè)的營運效能。

▲ 圖 7：商業(yè)運營中數(shù)字孿生的運用

由此看來，數(shù)字孿生技術(shù)終于打通了數(shù)字化研制體系的最重要一個閉環(huán)，孤懸在外的“產(chǎn)品孤兒”終于實現(xiàn)了與制造商“母體”的心意相通，圍繞著用戶體驗和運營效率加速迭代，推動產(chǎn)品自身的不斷演化和產(chǎn)業(yè)模式的進化升級。