孫柏林，劉哲鳴

（中國儀器儀表學會產品信息工作委員會，北京 100043）

0 引言

智能經濟的出現(xiàn)，是人類社會的一場顛覆性變革。當下的裝備制造領域已經逐漸成為虛擬與現(xiàn)實實時交互與融合的實踐領域。數(shù)字孿生（Digital Twin）具有虛實共生、高虛擬仿真、高實時交互和深度洞見等技術特性，其應用走向不斷地在工業(yè)領域延伸和拓展。數(shù)字孿生技術作為新的數(shù)字化關鍵技術已經應用到了與工業(yè)4.0 相關的智能制造領域中。智能制造系統(tǒng)是多技術集成創(chuàng)新的產物，如何深入理解數(shù)字孿生與智能制造的關系與趨勢，更是業(yè)界關注的焦點之一。隨著工業(yè)4.0、CPS（Cyber Physical Systems——信息物理系統(tǒng)）、智能制造等研究的深入，如何解決制造中物理世界與信息世界之間的交互共融，成為進一步推進制造業(yè)變革的核心問題。在此背景下，學術界和工業(yè)界提出了數(shù)字孿生的概念及技術體系，用于解決上述難題。

1 數(shù)字孿生技術的問世

1.1 數(shù)字孿生的概念

通俗地講，數(shù)字孿生就是對應于物理實體的數(shù)字模型，是面向對象的全生命周期并采用單一數(shù)據源實現(xiàn)物理空間和信息空間的雙向映射。數(shù)字孿生的構建基于設計階段生成的物理、功能模型，并在隨后的制造和使用階段，通過與物理實體之間的數(shù)據和信息交互，不斷提高自身的完整性和精確度，最終實現(xiàn)對物理實體的完全、精確描述。

數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據，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，從而反映相對應的實體裝備的全生命周期過程。

數(shù)字孿生技術通過建立虛擬模型和仿真的方式來對客觀物理實體進行高逼真度的模擬，從而以全新的手段來解決和優(yōu)化問題，為生產生活帶來了一個全新的視角。

1.2 數(shù)字孿生概念的歷史

數(shù)字孿生（Digital Twin）的概念起源于21 世紀初期，2002 年美國密歇根大學的教授Dr.Michael Grieves 在發(fā)表的一篇文章中第一次提出了數(shù)字孿生概念。他認為通過物理設備的數(shù)據，可以在虛擬（信息）空間構建一個可以表征該物理設備的虛擬實體和子系統(tǒng)，并且這種聯(lián)系不是單向和靜態(tài)的，而是在整個產品的生命周期中都聯(lián)系在一起。

在那之后，數(shù)字孿生的概念逐步擴展到了模擬仿真、虛擬裝配和3D 打印這些領域，而到了2014 年以后，隨著物聯(lián)網技術、人工智能和虛擬現(xiàn)實技術的不斷發(fā)展，更多的工業(yè)產品、工業(yè)設備具備了智能的特征，而數(shù)字孿生也逐步擴展到了包括制造和服務在內的完整的產品周期階段，并不斷豐富著數(shù)字孿生的形態(tài)和概念。

自概念提出以來，數(shù)字孿生技術在不斷快速演化，無論是對產品的設計、制造還是服務，都產生了巨大的推動作用。

2 數(shù)字孿生技術在制造業(yè)轉型中的應用

2.1 數(shù)字孿生在設計階段的應用

在產品的設計階段，利用數(shù)字孿生可以提高設計的準確性，并驗證產品在真實環(huán)境中的性能。這個階段的數(shù)字孿生，主要包括如下功能：

1）數(shù)字模型設計：使用CAD 工具開發(fā)出滿足技術規(guī)格的產品虛擬原型，精確地記錄產品的各種物理參數(shù)，以可視化的方式展示出來，并通過一系列的驗證手段來檢驗設計的精準程度。

2）模擬和仿真：通過一系列可重復、可變參數(shù)、可加速的仿真實驗，來驗證產品在不同外部環(huán)境下的性能和表現(xiàn)，在設計階段就能夠驗證產品的適應性。

2.2 數(shù)字孿生在制造階段的應用

產品的制造階段，利用數(shù)字孿生可以加快產品導入的時間，提高產品設計的質量，降低產品的生產成本和提高產品的交付速度?？蓪崿F(xiàn)如下的功能：

1）生產過程仿真：在產品生產之前，就可以通過虛擬生產的方式來模擬在不同產品、不同參數(shù)、不同外部條件下的生產過程，實現(xiàn)對產能、效率以及可能出現(xiàn)的生產瓶頸等問題的提前預判，加速新產品導入的過程。

2）數(shù)字化產線：將生產階段的各種要素，如原材料、設備、工藝配方和工序要求，通過數(shù)字化的手段集成在一個緊密協(xié)作的生產過程中，并根據既定的規(guī)則，自動完成在不同條件組合下的操作，實現(xiàn)自動化的生產過程；同時，記錄生產過程中的各類數(shù)據，為后續(xù)的分析和優(yōu)化提供依據。

3）關鍵指標監(jiān)控和過程能力評估：通過采集生產線上的各種生產設備的實時運行數(shù)據，實現(xiàn)全部生產過程的可視化監(jiān)控，并且通過經驗或者機器學習建立關鍵設備參數(shù)、檢驗指標的監(jiān)控策略，對出現(xiàn)違背策略的異常情況進行及時處理和調整，實現(xiàn)穩(wěn)定并不斷優(yōu)化的生產過程。

2.3 數(shù)字孿生在服務階段的應用

隨著物聯(lián)網技術的成熟和傳感器成本的下降，很多工業(yè)產品從大型裝備到消費級產品，都使用了大量的傳感器來采集產品運行階段的環(huán)境和工作狀態(tài)，并通過數(shù)據分析和優(yōu)化來避免產品故障，改善用戶對產品的使用體驗。這個階段的數(shù)字孿生，可以實現(xiàn)如下的功能：

1）遠程監(jiān)控和預測性維修：通過讀取智能工業(yè)產品的傳感器或者控制系統(tǒng)的各種實時參數(shù)，構建可視化的遠程監(jiān)控，并給予采集的歷史數(shù)據，構建層次化的部件、子系統(tǒng)乃至整個設備的健康指標體系，并使用人工智能實現(xiàn)趨勢預測；基于預測的結果，對維修策略以及備品備件的管理策略進行優(yōu)化，降低和避免客戶因為非計劃停機帶來的損失。

2）優(yōu)化客戶的生產指標：對于很多需要依賴工業(yè)裝備來實現(xiàn)生產的工業(yè)客戶，工業(yè)裝備參數(shù)設置的合理性以及在不同生產條件下的適應性，往往決定了客戶產品的質量和交付周期。而工業(yè)裝備廠商可以通過海量采集的數(shù)據，構建起針對不同應用場景、不同生產過程的經驗模型，幫助其客戶優(yōu)化參數(shù)配置，以改善客戶的產品質量和生產效率。

3）產品使用反饋：通過采集智能工業(yè)產品的實時運行數(shù)據，工業(yè)產品制造商可以洞悉客戶對產品的真實需求，不僅能夠幫助客戶加速對新產品的導入周期、避免產品錯誤使用導致的故障，提高產品參數(shù)配置的準確性，更能夠精確地把握客戶的需求，避免研發(fā)決策失誤。

3 數(shù)字孿生技術如何影響儀器儀表發(fā)展

3.1 更好地創(chuàng)新

第一，數(shù)字孿生能夠實現(xiàn)快速構思，即不僅能夠對直接看到的物理對象進行描述，彌補思維過程中丟失的信息，而且能夠基于看到的物理產品和虛擬產品的信息，了解和優(yōu)化物理對象。

第二，數(shù)字孿生能夠實現(xiàn)對比，即數(shù)字空間與物理空間是精準映射和共同進化的，有助于不斷積累相關知識，以發(fā)現(xiàn)理想特征與實際趨勢之間的誤差，并進行定量和定性監(jiān)測。

第三，數(shù)字孿生能夠實現(xiàn)廣域的協(xié)同，即以數(shù)字化方式模擬物理空間的實際行為，并將其疊加到數(shù)字空間（模型）中，從而突破個體數(shù)量和地域分布的限制，實現(xiàn)遠程控制生產系統(tǒng)的制造執(zhí)行。

3.2 更精確測量

無論是設計、制造還是服務，都需要精確地測量物理實體的各種屬性、參數(shù)和運行狀態(tài)，以實現(xiàn)精準的分析和優(yōu)化。但是，傳統(tǒng)的測量方法，必須依賴于價格不菲的物理測量工具，如傳感器、采集系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)等，才能夠得到有效的測量結果。

而數(shù)字孿生技術，可以借助于物聯(lián)網和大數(shù)據技術，通過采集有限的物理傳感器指標的直接數(shù)據，并借助大樣本庫，通過機器學習推測出一些原本無法直接測量的指標。

3.3 更全面的分析和預測能力

現(xiàn)有的產品生命周期管理，很少能夠實現(xiàn)精準的預測。因此，往往無法對隱藏在表象下的問題提前進行預判。

而數(shù)字孿生可以結合物聯(lián)網的數(shù)據采集、大數(shù)據的處理和人工智能的建模分析，實現(xiàn)對當前狀態(tài)的評估、對過去發(fā)生問題的診斷，以及對未來趨勢的預測，并給予分析的結果，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持。

數(shù)字孿生技術在產品生產全流程和高價值領域關鍵裝備預測性維護具有應用方向。數(shù)字孿生技術應用于預測性維護，還可對高價值領域關鍵裝備進行預測性維護。

在航天航空、軍工、發(fā)電、核工業(yè)、高速鐵路等高價值領域中的關鍵裝備，在使用過程中，用于維修保障的費用高昂，并且往往通過技術人員在錯誤中吸取的經驗教訓對設備進行預測維護，避免機器異常。但是，如果有經驗的技術人員離開企業(yè)，企業(yè)可能由于未能提前發(fā)現(xiàn)設備故障而造成嚴重損失。

數(shù)字孿生技術驅動下的各產品維護技術方案，都由用戶發(fā)起服務方響應或設備發(fā)起生產人員響應的被動響應模式，轉變成服務方主動發(fā)起用戶響應或生產人員發(fā)起設備響應的主動響應模式，由被動服務向主動服務轉變，能更好地保障產品運行正常，服務用戶。

3.4 經驗的數(shù)字化

在傳統(tǒng)的工業(yè)設計、制造和服務領域，經驗往往是一種模糊而很難把握的形態(tài)，很難將其作為精準判決的依據。而數(shù)字孿生的一大關鍵進步，是可以通過數(shù)字化的手段，將原先無法保存的專家經驗進行數(shù)字化，并提供了保存、復制、修改和轉移的能力。

例如，針對大型設備運行過程中出現(xiàn)的各種故障特征，可以將傳感器的歷史數(shù)據通過機器學習訓練出針對不同故障現(xiàn)象的數(shù)字化特征模型，并結合專家處理的記錄，將其形成未來對設備故障狀態(tài)進行精準判決的依據，并可針對不同的新形態(tài)的故障進行特征庫的豐富和更新，最終形成自治化的智能診斷和判決。

3.5 在產品質量分析中的應用

基于數(shù)字孿生的產品質量分析可以對產品的加工質量進行實時分析，可以對加工過程進行質量的優(yōu)化控制，通過對數(shù)據的分析和自我學習來不斷地改善產品加工質量。

對于產品，除了需要設計精確合理的制造工藝，還要對其生產過程的加工質量進行實時分析。如果出現(xiàn)了加工質量問題，還應該準確定位出發(fā)生故障的關鍵點，發(fā)現(xiàn)問題，及時修改，保證產品的質量。

在基于數(shù)字孿生的產品質量分析過程中，可以準確定位產品制造加工的各個環(huán)節(jié)；在虛擬模型的仿真運行下，可以實時地分析產品的質量。虛擬模型會對產品加工過程的相應數(shù)據進行分析，對產品的加工質量進行預測以及進行質量問題追溯。

復雜產品裝配是典型的離散型裝配，具有單件小批生產、裝配周期長、涉及專業(yè)領域多、裝配數(shù)據復雜、返工返修多等特點。在復雜產品裝配過程中，通常會產生大量的質量數(shù)據，這些數(shù)據是評價裝配質量的重要基礎數(shù)據，可以用來衡量產品是否裝配合格，并為后續(xù)裝配質量的持續(xù)改進提供相關指導。因此，對離散裝配過程的質量數(shù)據進行實時管理與分析，進而對復雜產品裝配過程質量進行管理與控制，具有十分重要的意義。

針對復雜產品裝配過程中質量管控時效性差、缺乏預測性等問題，提出基于數(shù)字孿生技術的復雜產品裝配過程質量管控方法。通過構建物理車間、虛擬車間和車間生產管理系統(tǒng)協(xié)同工作的質量管控數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)了裝配過程質量數(shù)據的采集、分析與反饋，在此基礎上利用馬爾柯夫（Markov）方法預測質量數(shù)據的未來狀態(tài)。

4 對于儀器儀表企業(yè)發(fā)展的建議

信息技術日新月異，自動化儀表在關鍵性技術上也逐漸有了突破性進展，從模擬技術向數(shù)字技術轉變成為其新的發(fā)展趨勢。長遠來看，其發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下五方面：

第一，自動化儀器儀表技術逐漸向智能化發(fā)展。

第二，自動化儀器儀表技術逐漸向高精度化發(fā)展。

第三，自動化儀器儀表技術逐漸向總線化發(fā)展。

第四，自動化儀器儀表技術逐漸向網絡化發(fā)展。

第五，自動化儀器儀表技術在形態(tài)上將逐漸向開放性發(fā)展。

今天的數(shù)字化技術正在不斷地改變每一個企業(yè)。未來，所有的企業(yè)都將轉型成為數(shù)字化的公司。這不只是要求企業(yè)開發(fā)出具備數(shù)字化特征的產品，更指的是通過數(shù)字化手段改變整個產品的設計、開發(fā)、制造和服務過程，并通過數(shù)字化的手段連接企業(yè)的內部和外部環(huán)境。隨著產品生命周期的縮短、產品定制化程度的加強，以及企業(yè)必須同上下游建立起協(xié)同的生態(tài)環(huán)境，都迫使企業(yè)不得不采取數(shù)字化的手段來加速產品的開發(fā)，提高開發(fā)、生產、服務的有效性以及提高企業(yè)內外部環(huán)境的開放性。

5 結束語

習近平總書記在致2019 世界制造業(yè)大會的賀信中指出，“全球制造業(yè)正經歷深刻變革”，要“把推動制造業(yè)高質量發(fā)展作為構建現(xiàn)代化經濟體系的重要一環(huán)”。2019 年中央經濟工作會議將“著力推動高質量發(fā)展”作為六大重點工作之一。中央明確：2020 年中國經濟要干的45 件大事中的第28 件是要大力發(fā)展數(shù)字經濟。這就表明：發(fā)展數(shù)字經濟是全黨全國的戰(zhàn)略任務，而無論當前制造企業(yè)選擇何種策略和路徑，數(shù)字孿生技術都將成為趨勢，并將在未來幾年之內成為標配，這也是數(shù)字化企業(yè)與產品差異化的關鍵。