數字孿生在制造業(yè)的應用前景廣闊。產品的數字孿生應用覆蓋產品的研發(fā)、工藝規(guī)劃、制造、測試、運維等各個生命周期，可以幫助企業(yè)推進數字化營銷和自助式服務;工廠數字孿生在工廠設計、建造，生產線調試、安裝，工廠運行監(jiān)控、工業(yè)安全等方面都可以給企業(yè)帶來價值;數字孿生也可應用于供應鏈管理領域，例如車間物流調度、運輸路徑優(yōu)化等。

全球著名IT研究機構Gartner曾在2017年至2019年連續(xù)三年將數字孿生列為十大新興技術之一。北京航空航天大學陶飛教授團隊對數字孿生技術進行了長期的深入研究，撰寫了一批國際水準的學術論文。近期，美國工業(yè)互聯(lián)網聯(lián)盟（IIC）、IDC、埃森哲、賽迪研究院、信通院等研究機構相繼發(fā)表了相關白皮書，我國從政府主管部門到企業(yè)也十分關注數字孿生技術。但是，如果不能正確理解數字孿生技術的基本內涵就囫圇吞棗地應用數字孿生技術，很可能會“走入歧途”。

數字孿生在制造業(yè)的典型應用場景

數字孿生技術在各個行業(yè)有廣泛的應用場景。陶飛教授團隊在《計算機集成制造系統(tǒng)》2018年第1期刊登的“數字孿生及其應用探索”一文中，歸納了14種應用場景，后來又在論文中介紹了數字孿生在航空航天、電力、汽車、石油天然氣、健康醫(yī)療、船舶航運、城市管理、智慧農業(yè)、建筑建設、安全急救、環(huán)境保護等11個領域，45個細分類的應用。

筆者認為，數字孿生在制造業(yè)的應用前景廣闊。其中，產品的數字孿生應用覆蓋產品的研發(fā)、工藝規(guī)劃、制造、測試、運維等各個生命周期，可以幫助企業(yè)推進數字化營銷和自助式服務，有助于企業(yè)提升維護服務收入，創(chuàng)新商業(yè)模式;工廠數字孿生在工廠設計、建造，生產線調試、安裝，工廠運行監(jiān)控、工業(yè)安全等方面都可以對企業(yè)帶來價值;數字孿生在供應鏈管理領域也可以應用，例如車間物流調度、運輸路徑優(yōu)化等。

以下是數字孿生在制造業(yè)的典型應用：

產品的運行監(jiān)控和智能運維

對于能夠實現(xiàn)智能互聯(lián)的復雜產品，尤其是高端智能裝備，將實時采集的裝備運行過程中的傳感器數據傳遞到其數字孿生模型進行仿真分析，可以對裝備的健康狀態(tài)和故障征兆進行診斷，并進行故障預測;如果產品運行的工況發(fā)生改變，對于擬采取的調整措施，可以先對其數字孿生模型在仿真云平臺上進行虛擬驗證，如果沒有問題，再對實際產品的運行參數進行調整。ANSYS的數字孿生技術在風電行業(yè)，可以幫助風電企業(yè)避免非計劃性停機，實現(xiàn)預測性維護和運行控制與優(yōu)化。

對于航空發(fā)動機的數字孿生應用，由于每臺發(fā)動機的飛行履歷不同，飛行的環(huán)境不同，健康服役的壽命以及維護歷史差別很大，因此，應當對每臺航空發(fā)動機建立其對應的數字孿生模型。GE航空對于正在空中運行的航空發(fā)動機進行實時監(jiān)控，一旦出現(xiàn)故障隱患，可以通過對數字孿生模型的分析來預測風險等級，及時進行維修維護，顯著提升了飛行安全。GE航空通過數字孿生模型記錄每臺航空發(fā)動機每個架次的飛行路線、承載量，以及不同飛行員的駕駛習慣和對應的油耗，通過分析和優(yōu)化，可以延長發(fā)動機的服役周期，并改進發(fā)動機的設計方案。

在數字孿生應用領域，GE與ANSYS公司開展了戰(zhàn)略合作。通過數字孿生技術的應用，實現(xiàn)產品的健康管理、遠程診斷、智能維護和共享服務。通過結合傳感器數據和仿真技術，幫助客戶分析特定的工作條件并預測故障，從而節(jié)約運維成本。GE航空通過匯總設計、制造、運行、完整飛行周期的相關數據，預測航空發(fā)動機的性能表現(xiàn)：

1.將發(fā)動機傳感器數據與性能模型結合，根據運行環(huán)境的變化和物理發(fā)動機性能的衰減，構建自適應模型，精準監(jiān)測航空發(fā)動機的部件和整機性能;

2.將發(fā)動機歷史維修數據中的故障模式注入三維結構模型和性能模型，構建故障模型，應用于故障診斷和預測;

3.將航空公司歷史飛行數據與性能模型結合并融合數據驅動的方法，構建性能預測模型，預測整機性能和剩余壽命;

4.將局部線性化模型與飛機運行狀態(tài)環(huán)境模型融合并構建控制優(yōu)化模型，實現(xiàn)發(fā)動機控制性能尋優(yōu)，使發(fā)動機在飛行過程中發(fā)揮更好的性能。

西門子將來自智能傳感器的溫度、加速度、壓力和電磁場等信號和數據，以及來自數字孿生模型中的多物理場模型和電磁場仿真和溫度場仿真結果傳遞到Mindsphere平臺，通過進行對比和評估，來判斷產品的可用性、運行績效和是否需要更換備件。

在復雜裝備的運維方面，可以通過AR技術，基于產品的數字孿生模型生成產品操作、裝配或拆卸的三維動畫。在實物環(huán)境下，透過各種穿戴設備或移動終端進行示教。PTC提供了先進易用的AR應用平臺。

工廠運行狀態(tài)的實時模擬和遠程監(jiān)控

對于正在運行的工廠，通過其數字孿生模型可以實現(xiàn)工廠運行的可視化。包括生產設備目前的狀態(tài)，在加工什么訂單，設備和產線的OEE、產量、質量與能耗等，還可以定位每一臺物流裝備的位置和狀態(tài)。對于出現(xiàn)故障的設備，可以顯示出具體的故障類型。華龍訊達應用數字孿生技術，在煙草行業(yè)進行了工廠運行狀態(tài)的實時模擬和遠程監(jiān)控實踐，中煙集團在北京就可以實現(xiàn)對分布在各地的工廠進行遠程監(jiān)控。海爾、美的在工廠的數字孿生應用方面也開展了卓有成效的實踐。

生產線虛擬調試

在虛擬調試領域，西門子公司及上海智參、廣州明珞等合作伙伴已開展了很多實踐。虛擬調試技術在數字化環(huán)境中建立生產線的三維布局，包括工業(yè)機器人、自動化設備、PLC和傳感器等設備。在現(xiàn)場調試之前，可以直接在虛擬環(huán)境下，對生產線的數字孿生模型進行機械運動、工藝仿真和電氣調試，讓設備在未安裝之前已經完成調試。

應用虛擬調試技術，在虛擬調試階段，將控制設備連接到虛擬站/線;完成虛擬調試后，控制設備可以快速切換到實際生產線;可隨時切換到虛擬環(huán)境，分析、修正和驗證正在運行的生產線上的問題，避免長時間且昂貴的生產停頓。

虛擬調試技術對企業(yè)的價值體現(xiàn)在：早期驗證優(yōu)化研發(fā)+工藝+制造的可行性，減少物理樣機投入成本;減少去用戶現(xiàn)場做機器人調試時間和出錯率，節(jié)約出差成本;虛實融合后為整個工廠的數字孿生打好基礎，工廠建成之后可以與SCADA系統(tǒng)融合，打造基于三維模型的可視化監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠的數字孿生。

Maplesoft公司的MapleSim平臺提供了一體化的生產線虛擬調試解決方案。羅克韋爾自動化憑借百年的行業(yè)積累，近期通過戰(zhàn)略投資和加速整合生態(tài)合作伙伴等方法在加速完善數字化解決方案。2019年，羅克韋爾自動化收購了數字模擬和仿真的創(chuàng)新型工程軟件開發(fā)商Emulate3D。其軟件使客戶能夠在制造和自動化成本實際發(fā)生和交付最終設計之前對機器和系統(tǒng)設計進行虛擬測試，改進系統(tǒng)規(guī)劃和設計決策，以便能夠在最終設計定型與制造成本落地之前對設備系統(tǒng)的設計進行驗證，大大縮短產品上市時間和提高運營效率，還可以利用工廠的數字孿生模型對員工進行培訓，降低工廠運營的風險。

美的集團旗下的美云智數的MIoT.VC系統(tǒng)提供了基于數字孿生的虛擬調試解決方案。其組件庫內置1400多個機器人組件，內置KUKA、ABB、安川、川崎等各主流機器人協(xié)議;可以通過圖形示教，快速進行機器人姿態(tài)設計、運動路徑干涉檢查和姿態(tài)合理性分析;支持機器人姿態(tài)和軌跡的離線編程與虛擬調試，與現(xiàn)場設備的實時聯(lián)機;支持噴涂、焊接等機器人動作示教、離線編程及虛擬調試。該系統(tǒng)支持OPC-UA 和西門子S7兩大工業(yè)協(xié)議。

機電軟一體化復雜產品研發(fā)

對于高度復雜的機電軟一體化產品，可以在研發(fā)階段通過構建產品的數字孿生模型，并通過工程仿真技術的應用加速產品的研發(fā)， 幫助企業(yè)以更少的成本和更快的速度將創(chuàng)新技術推向市場。運用數字孿生技術，能夠綜合利用結構、熱學、電磁、流體和控制等仿真軟件進行單物理場仿真和多場耦合仿真，對產品進行設計優(yōu)化、確認和驗證，還可以構建精確的綜合仿真模型來分析實際產品的性能，實現(xiàn)持續(xù)創(chuàng)新。通過結合創(chuàng)成設計技術（Generative Design）、增材制造技術、半實物仿真技術，可以顯著縮短產品上市周期。

GE公司認為，從概念設計階段開始推進航空發(fā)動機的數字孿生應用，更容易地將設計和結構模型與運行數據相關聯(lián)，同時，還有助于優(yōu)化設計，提高生產效率。精航偉泰測控儀器（北京）有限公司提供了基于模型的衛(wèi)星數字孿生設計解決方案，可以最大限度地將驗證后的設計模型自動轉化為衛(wèi)星的物理實現(xiàn)，例如可以根據相關設計模型自動生成星載軟件的代碼。

數字營銷

對于尚未上市的新產品，通過發(fā)布其概念階段的數字孿生模型，讓消費者選擇更喜歡的設計方案，然后再進行詳細設計和制造，這樣有助于企業(yè)提升銷售業(yè)績。同時，通過構建基于數字孿生模型的在線配置器，可以幫助企業(yè)實現(xiàn)產品的在線選配，實現(xiàn)大批量定制。

數字孿生對制造企業(yè)的應用價值

IDC在2018年5月發(fā)表的《數字孿生網絡》報告中指出，到 2020 年底，65%的制造企業(yè)將利用數字孿生運營產品和/或資產，降低質量缺陷成本和服務交付成本 25%。

產品數字孿生應用的價值是通過虛實融合、虛實映射，持續(xù)改進產品的性能、為客戶提供更好的體驗，提高產品運行的安全性、可靠性、穩(wěn)定性，提升產品運行的“健康度”，在此基礎上提升產品在市場上的競爭力。同時，通過對產品的結構、材料、制造工藝等各方面的改進，降低產品成本，幫助企業(yè)提高盈利能力;而工廠數字孿生應用的價值主要體現(xiàn)在構建透明工廠，提升工廠的運營管理水平，提高整體OEE，降低能耗，促進安全生產等方面。要真正實現(xiàn)工廠數字孿生應用的價值，需要裝備用戶企業(yè)和裝備制造企業(yè)進行深層次的合作。

GE公司對數字孿生的應用價值給出了一段經典描述：數字孿生通過海量的設計、制造、檢測、維修、在線傳感器及運營數據來建立和獲取信息，運用一系列高保真的計算和基于物理實體的模型，以及高級分析方法來預測資產設備在其全生命周期的健康和績效。數字孿生模型的準確程度隨著時間推移，通過更多數據來對模型進行精煉，以及類似設備部署其數字孿生應用而提升。模型隨著數據的持續(xù)采集而不斷修正。數字孿生模型提供了設備的詳細知識，預測對各種可能場景的應對情況，并作為實時參照來構建各種應用系統(tǒng)，以實現(xiàn)優(yōu)化各類服務，提高績效和效率，改善運維、供應鏈和業(yè)務運營等業(yè)務價值。

數字孿生技術最早的倡導者之一，NASA國家先進制造中心主任John Vickers認為：“數字孿生模型的最終目標是在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建、測試和生產所需設備。只有當它滿足我們的需求時，才進行實體生產。然后，又將實體生產過程通過傳感器傳遞給數字孿生模型，以確保數字孿生模型包含我們對實體產品進行檢測所能夠獲得的所有信息?！?/p>

另一篇GE發(fā)表于2015年的文章指出：數字孿生模型的優(yōu)勢是通過結合從設計到實時采集設備的數據等相關信息，來對設備在全生命周期進行優(yōu)化。不僅可以降低原型設計或制造的成本，而且可以通過將實時數據導入數字孿生模型進行分析，從而預測故障，降低維護成本，減少停機時間。

數字孿生的推進策略

數字孿生是制造業(yè)推進數字化轉型和智能制造的戰(zhàn)略舉措和現(xiàn)實途徑之一。對于制造企業(yè)而言，推進數字孿生應用需要建立明確的目標，以價值為導向，建立跨部門的推進組織，結合IT、自動化、研發(fā)、仿真、工藝、測試、設備運維等部門的團隊，并引入專業(yè)咨詢機構，務實推進。

數字孿生應用是IT/OT融合的典型應用，要實現(xiàn)虛實映射，需要搭建工業(yè)互聯(lián)網平臺，明確應用對象的重點是企業(yè)生產的產品，還是工廠，抑或是供應鏈;面向產品的數字孿生應用重點是支持產品研發(fā)、市場推廣還是運營維護;面向工廠的數字孿生應用重點是工廠或產線建設期間的虛擬調試，還是工廠運營階段的可視化與優(yōu)化。同時，企業(yè)需要建立全三維設計、仿真驅動設計的技術基礎和組織體系。推進數字孿生需要制定整體規(guī)劃，但結合具體目標，分步實施，不能搞“大而全”的應用。推進數字孿生應用必須合理把控風險。

埃森哲《數字孿生：打造生力產品，重塑客戶體驗》白皮書提出了推進數字孿生應用的四個階段。

在數字孿生的實際應用當中，不可能，也沒有必要盲目追求所有數字孿生模型的“高保真”。因為保真度的提升意味著構建數字孿生模型的難度和成本的大幅度提升，同時，對數字孿生模型進行分析的復雜性和耗時也會迅速攀升。數字孿生模型越復雜，也就越難以實現(xiàn)虛實映射的實時性。在實際應用當中，對所有零部件的多物理場都進行復雜的三維仿真耗時很長，往往會進行降階處理，通過一維仿真對產品的整體性能進行分析。因此，企業(yè)需要根據實際應用需求和性能價格比來選擇構建不同保真度的數字孿生模型。

數字孿生在制造業(yè)的應用前景展望

數字孿生是一個既具有前瞻性，又易于被各界理解的創(chuàng)新理念，數字孿生這個術語本身的“生命周期”會很長，而不是短期流行的時髦詞匯。數字孿生理念經過概念炒作階段之后，會逐漸走向務實推進的階段。

目前，圍繞數字孿生技術的討論更多地還集中在概念探討階段，我國制造企業(yè)真正開展的實際應用還處于初期階段。正如前一階段各方面熱議，工業(yè)互聯(lián)網缺乏“殺手級”應用一樣，企業(yè)也應該在產品數字孿生和工廠數字孿生領域找到自己的“殺手級”應用。

即使沒有數字孿生，很多裝備制造企業(yè)也已經開始通過工業(yè)互聯(lián)網（工業(yè)物聯(lián)網）平臺，對正在服役的裝備進行遠程監(jiān)控，并利用工業(yè)大數據和人工智能技術進行預測性維護。那么，通過數字孿生技術實現(xiàn)虛實融合，可以進一步通過對這些裝備運行過程的實時仿真和優(yōu)化，提升設備運行績效，避免異常事故。同樣，即使沒有數字孿生，很多制造企業(yè)也在建設生產監(jiān)控與指揮系統(tǒng)，實現(xiàn)工廠的可視化、透明化。那么，通過數字孿生技術實現(xiàn)虛實映射，可以更加精準地把控工廠、車間、產線和設備的生產、能耗、質量、物流供應的實時狀態(tài)，從而提升工廠的運行績效，避免設備非計劃性停機。因此，數字孿生應用給制造企業(yè)帶來的價值是實實在在的。

筆者建議，制造企業(yè)應當組織針對數字孿生的培訓，深入研究數字孿生的理念、數字孿生相關產品和解決方案，結合自身的產業(yè)特點和實際需求，找到數字孿生應用的突破口。在此基礎上，制定數字孿生應用規(guī)劃。

數字孿生應用，長路漫漫，但路就在腳下！從數字孿生應用中獲益的機會，屬于有準備的企業(yè)！