楊一帆， 鄒 軍,,3， 石明明， 李月峰， 楊波波，王洪榮， 施成章， 金龍悅， 路 鑫

（1. 上海應用技術大學 理學院, 上海 201418；2. 上海贄匠智能科技有限公司, 上海 201418；3. 江蘇派銳電子有限公司, 江蘇 南通 226000）

數(shù)字孿生最早的誕生沒有一個準確的時間，但是在2002年Michal Grieves博士在密歇根大學PLM中心生命周期（product lifecycle management，PLM）的一次演講中首次提出了PLM概念模型。PLM模型中出現(xiàn)了2個關鍵特性：現(xiàn)實空間、虛擬空間，這2個關鍵特性也為日后數(shù)字孿生技術的發(fā)展打下了基礎，而在當時該模型已經具備了早期數(shù)字孿生的基本要素，并且該模型分別在2006年和2011年被稱之為“鏡像空間模型”、“信息鏡像模型[1]。

同年，Michael Grieves和John Vickers發(fā)布了一份白皮書《幾乎完美：通過PLM驅動創(chuàng)新和精益產品》中正式的引入了術語“數(shù)字孿生”，并定義數(shù)字孿生的概念為充分利用物理模型、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。Michael Grieves和John Vickers發(fā)表的這本白皮書是首次公開對數(shù)字孿生技術做出了一個全方面的定義，該定義規(guī)范了數(shù)字孿生技術的基本雛形。

同年3月，在美國空軍研究室結構力學部門（air force research laboratory，AFRL），演講的 “基于狀態(tài)的維護+結構完整性&戰(zhàn)斗機機體數(shù)字孿生”中，AFRL擬使用數(shù)字孿生技術來對戰(zhàn)斗機進行虛擬建模和仿真。通過數(shù)字孿生技術，AFRL可以將戰(zhàn)斗機中的多源異構零件（包括機頭、機身、機翼等）通過高保真的虛擬建模方式映射到計算機中，并建立與戰(zhàn)斗機實體相對應的虛擬模型。通過戰(zhàn)斗機實體和戰(zhàn)斗機虛擬模型之間的雙向交互聯(lián)系，AFRL可以不用考慮戰(zhàn)斗機昂貴的試錯代價，僅在研究所內通過實時觀察虛擬模型來得到戰(zhàn)斗機飛行時的運行狀態(tài)、安全風險、零件磨損、機體外綜合情況等[2]，如圖1所示。

圖1 飛機數(shù)字孿生體[1]Fig. 1 Airplane digital twin[1]

幾乎同一時間，美國通用電氣公司（General Electric Company，GE）在為美國國防部提供F-35聯(lián)合攻擊機解決方案的時候，也發(fā)現(xiàn)了數(shù)字孿生的價值，并開始了對數(shù)字孿生技術的研究和應用。美國通用電氣公司成為首家將數(shù)字孿生與工業(yè)數(shù)字化聯(lián)系起來的公司，并開始利用數(shù)字孿生去構建工業(yè)互聯(lián)網體系。之后，AFRL在2013年發(fā)布的Spiral 1計劃就是其中重要的一步，并與美國通用電氣簽訂了2000萬美元的商業(yè)合同以開展此項工作。

2016 年底全球知名的 IT 研究與顧問咨詢公司 Gartner 在其發(fā)布的《2017 年十大發(fā)展趨勢》中指出“數(shù)以億計的物件很快將以數(shù)字孿生來呈現(xiàn)”，使這一概念受到廣泛關注，進入公眾視野。而在實現(xiàn)制造強國戰(zhàn)略的行動綱領《中國制造2025》中智能制造的地位被明確提出：“智能制造是新一輪科技革命的核心，也是制造業(yè)數(shù)字化、網絡化、智能化的主攻方向”，而數(shù)字孿生也是當之無愧的智能制造的核心技術。[3]

數(shù)字孿生技術作為一項新興技術，目前在智能制造的領域初露鋒芒，但在未來，工業(yè)領域的智能化必然會依托數(shù)字孿生技術來實現(xiàn)。

1 數(shù)字孿生的定義

數(shù)字孿生作為一門新興的技術，即是通過計算機進行高精度、多維度、全方面的動態(tài)仿真，將處于物理世界的實體按照一定映射規(guī)則在虛擬世界中建立模型，并構建物理世界和虛擬世界的連接，實現(xiàn)物理世界和虛擬世界之間的實時交互通信、虛實互控、自我迭代優(yōu)化和更新，如圖2所示。

圖2 數(shù)字孿生虛實模型Fig. 2 Digital twin virtual-real model

國內，陶飛等[4]定義數(shù)字孿生是以數(shù)字化的方式建立物理實體的多維、多時空尺度、多學科、多物理量的動態(tài)虛擬模型來仿真和刻畫物理實體在真實環(huán)境中的屬性、行為、規(guī)則等。劉大同等[2]定義數(shù)字孿生為信息化平臺內建立模擬一個物理實體流程或者系統(tǒng)。周瑜等[5]認為數(shù)字孿生是指構建與物理實體完全對應的數(shù)字化對象的技術、過程和方法。

國外，ANSYS公司認為，數(shù)字孿生是在數(shù)字世界建立一個與真實世界系統(tǒng)的運行性能完全一致，且可實現(xiàn)實時仿真的仿真模型。美國國防采辦大學認為，數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運行歷史、大數(shù)據、云端數(shù)據庫等數(shù)據，集成多領域、多學科、多物理量、多尺度的動態(tài)仿真過程，在虛擬空間中完成對物理實體的映射，從而反映物理實體的全生命周期過程。

根據目前國內外工業(yè)界和學術界對數(shù)字孿生技術的不同定義和闡釋，本文提煉出了數(shù)字孿生技術的關鍵特性及技術、并對此展開了深入的研究。關鍵特性包括物理模型、虛擬模型、通信和數(shù)據模型。關鍵技術包括高精度高性能傳感器及傳感器網絡。

根據數(shù)字孿生的不同定義，總結出數(shù)字孿生技術主要包含了3個關鍵特性：物理實體，虛擬模型、連接和數(shù)據。3種關鍵特性之間的關系即物理實體通過規(guī)定的數(shù)據模型建立起與虛擬模型相對應的連接。

1.1 物理實體

物理實體是存在于現(xiàn)實物理空間內的客觀物體，其屬性包含了幾何模型、基本物理學屬性以及特定物理學屬性。物理實體是實現(xiàn)數(shù)字孿生技術的第一步，也是數(shù)字孿生技術的基礎。物理實體在數(shù)字孿生技術中充當?shù)鼗淖饔?，不僅為虛擬模型提供了可建?？坍嫷目陀^對象，也是各類高精度、高性能傳感器反饋數(shù)據的動態(tài)來源[6]。

根據陶飛團隊[7]對物理實體的基本分類和定義，本文擴展了物理實體各類別的具體表達及功能顯形。物理實體按照功能和結構可以分為大致3類，如圖3所示。

圖3 物理實體分類Fig. 3 Physical entity classification

（1） 單元級物理實體：單元級物理實體為功能實現(xiàn)的最小單位，既整個物理實體組成框架中不可再進行分割的個體。概念上，單元級物理實體包含了自身的幾何模型、基本物理屬性以及特定物理屬性。幾何模型包括三維幾何結構、材質、表面特征、微觀材料結構等，基本物理屬性包括質量、密度、材質等，特定物理屬性按照需求的不同有不同的表現(xiàn)形式。以機械臂工作站為例，機械臂即視為一個單元級物理實體，機械臂提供了自身的三維幾何模型如每個旋轉盤的半徑、大小、厚度等，基本物理屬性如機械臂的質量、材質、旋轉盤最大可旋轉角度、工件最大承重力范圍等，特定物理屬性如每個旋轉盤的角速度、整個機械臂的擬合轉動速度等。

（2） 系統(tǒng)級物理實體：系統(tǒng)級物理實體由單元級物理實體互相配置組合，并可以實現(xiàn)特定功能。系統(tǒng)級物理實體包含了所有單元級物理實體的幾何模型及所有物理屬性，并在此基礎上孵化衍生出新的幾何模型關系及耦合物理屬性。系統(tǒng)級物理實體不僅僅是單元級物理實體的簡單組成，而是對單元級物理實體的整體融合與優(yōu)化。以機械臂工作站為例，機械臂工作站的一套流程功能如碼垛搬運、七巧板拼裝等即視為一個系統(tǒng)級物理實體，該系統(tǒng)級物理實體包括了所有相關單元級物理實體如機械臂、運輸鏈、待運輸模塊等，每個單元級物理實體包含其自身的幾何模型及物理屬性并互相關聯(lián)影響產生新的幾何模型關系和物理屬性。例如運輸鏈自身屬性包括材質結構、摩擦力系數(shù)、轉動速度等，通過與機械臂組合產生了如逆向作用力承受度，最大重力承受范圍等。

（3）復雜系統(tǒng)級物理實體：復雜系統(tǒng)級物理實體由系統(tǒng)級物理實體組成，是能夠實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間組織、協(xié)調、管理等功能的綜合復雜系統(tǒng)。復雜系統(tǒng)級物理實體包含了所有系統(tǒng)級物理實體的衍生幾何模型、完整物理屬性，并對系統(tǒng)級物理實體進行了相關的配置和調度。以機械臂工作站為例，完整的機械臂工作站就是一個復雜系統(tǒng)級物理系統(tǒng)，其中包含了幾個系統(tǒng)級物理實體如碼垛搬運、注塑、七巧板拼裝等，機械臂工作站將這些獨立的功能整合和連接，并構建框架來實現(xiàn)對各個功能的分配和調度管理。

1.2 虛擬模型

虛擬模型是將物理實體從多維度、多時間尺度、多方面進行刻畫和建模，并能夠體現(xiàn)物理實體的幾何模型、物理屬性、約束和行為準則等[8]。數(shù)字孿生技術中的虛擬模型本質是物理實體在計算中的一種真實映射，如圖4所示[9]。虛擬模型作為物理實體在計算機中的真實映射，時刻保持著和物理實體之間的聯(lián)系，并根據物理實體的變化相應的做出對應的變化。虛擬模型應該遵守以下法則：

圖4 1種船舶數(shù)字孿生虛擬模型[9]Fig. 4 A virtual model of ship digital twin [9]

（1） 基于物理實體的真實模型

虛擬模型的刻畫和建模必須完全按照物理實體來進行，包括幾何特征、物理屬性等。虛擬模型作為物理實體的孿生體，從本質上來解釋既是將物理實體模型以及附帶的物理規(guī)則按照一定規(guī)則映射到了計算機中，所以虛擬模型的構建必須完全參照物理實體模型，并且需要體現(xiàn)系統(tǒng)級物理實體中各單元級物理實體之間的連接關系以及復雜系統(tǒng)物理實體中各系統(tǒng)級物理實體之間的耦合關系。

（2） 物理實體的忠實映射

虛擬模型作為物理實體的忠實映射，必須擁有和物理實體交互連接和同步更新的功能。在虛實互控操作中，這一點尤其顯得重要，無論是虛控實還是實控虛，都要求虛擬模型能夠實時與物理實體保持同步。例如在數(shù)字孿生城市中，通過對城市中的物理實體和虛擬模型之間搭建高速的連接和同步，使現(xiàn)實城市中每當建筑物倒塌、火災現(xiàn)場、車禍現(xiàn)場等突發(fā)情況發(fā)生時，虛擬模型會及時接收到這些實體發(fā)生的變化，并隨之產生變化，反之亦然，虛擬城市中的虛擬模型運行狀態(tài)發(fā)生改變時，真實城市也會進行同步更新，將虛擬城市中對應的變化以實體化的方式展現(xiàn)出來。

1.3 連接和數(shù)據

連接方式和數(shù)據是數(shù)字孿生過程中非常重要的一環(huán)，架構起了物理實體和虛擬模型之間的橋梁并產生數(shù)據流。物理實體、虛擬模型、數(shù)據和連接這3個特性貫穿了整個數(shù)字孿生的全部生命周期，但是數(shù)據和連接與物理實體、虛擬模型不同的是數(shù)據和連接依托于物理實體和虛擬模型而存在[10]。數(shù)據根據數(shù)字孿生虛實交互的交互方向不同，可以分為2類交互數(shù)據類型：①實控虛數(shù)據：實控虛數(shù)據由各類傳感器采集來的多源異構模擬信號轉換而成，即是將物理實體的各屬性、指標、參數(shù)變化傳送到計算機中進行統(tǒng)一的監(jiān)控和管理。②虛控實數(shù)據：虛控實數(shù)據由計算機下達指令并傳遞給虛擬模型，當虛擬模型運行上位機下達的相關指令時，將上位機傳達的指令進行編碼和轉換并反饋給物理實體，物理實體根據這些進行特殊編碼的數(shù)據同步跟隨虛擬模型完成指令。數(shù)據如果是物理實體和虛擬模型橋梁上的信號流的話，那么連接就是架構起物理實體和虛擬模型的橋梁。

連接的含義非常的廣，包括了了物理實體之間的連接、各傳感器之間的連接、物理實體和虛擬模型之間的連接等。數(shù)據依托于連接存在，而連接依托于物理實體和虛擬模型而存在。根據連接的對象不同，連接可大致分為2類：①物理實體之間的連接：物理實體之間的連接包括單元級物理實體之間的連接，系統(tǒng)級物理實體之間的連接。根據需求不同，具體的連接規(guī)則也不盡相同，但是由于大多數(shù)物理實體之間的距離不會超過太遠，所以物理實體之間的連接通常采取有線連接，因此物理實體之間的連接相對較穩(wěn)定和快速。②物理實體和虛擬模型之間的連接：物理實體和虛擬模型之間的相對位置較遠，通常采用無線的連接方式。無線連接大大的延展了連接的距離，但是受限于其自身的技術條件，無線連接的方式會直接導致物理模型和虛擬模型之間的連接速度較慢、穩(wěn)定性不高。

2 數(shù)字孿生的關鍵技術特征

2.1 高精度、高性能傳感器及傳感器網絡

傳感器作為物理實體的“眼睛”以及“皮膚”負責精準并快速地收集物理實體的相關物理參數(shù)、屬性、狀態(tài)以及物理實體所處環(huán)境中的各種相關因素。傳感器對整個數(shù)字孿生交互系統(tǒng)起到了非常關鍵的作用，數(shù)字孿生系統(tǒng)的虛實交互過程的基礎就是各類傳感器反饋數(shù)據的準確性、實時性以及協(xié)調性[8]，如圖5所示。

圖5 分布式傳感器網絡Fig. 5 Distributed sensor network

2.1.1 準確性

傳感器的準確性要求對于數(shù)字孿生而言是最重要的性質。傳感器能夠返回的數(shù)據精確度越高，數(shù)字孿生系統(tǒng)的仿真性就越強、仿真狀態(tài)越精準、仿真效果越卓越[8]。對于傳感器本身而言，傳感器必須具備非常強的抗干擾能力和精準采集能力，對于各種類型的波動模擬信號能夠進行穩(wěn)定、精準的采集并進行一定的處理。例如在工業(yè)機械臂領域，位移傳感器的精度對于機械臂的重要性不言而喻，對于一些精密產品的制造如芯片等，毫米級別甚至微米級別的差別就可能導致整個制造流程崩潰，因此傳感器的準確性對于整個數(shù)字孿生交互系統(tǒng)都起著非常大的作用。

目前，傳感器的采集目標主要為采集模擬信號輸入再按照固定標準轉換為相對應的電信號輸入。模擬量多為漸變的模擬信號，如溫度、壓力、濕度、成分等，是自然界真實存在的。模擬信號的變化往往難以捉摸，根據自然界或者物體的狀況發(fā)生改變，而傳感器則需要對模擬量的變化非常敏感。在分布式網絡中，傳感器節(jié)點數(shù)量非常龐大，其中每一個傳感器的誤差控制即使控制在百分之一，進行相關數(shù)據融合之后，精確度也會丟失很多，從而產生一系列的 “蝴蝶”效應[11]。所以，這就對傳感器的準確性非常高的要求。目前很多傳感器受限于技術問題，無法十分精準的采集到需要采集的模擬量，這也是當前傳感器技術的痛點所在。

2.1.2 實時性

數(shù)字孿生的虛實交互的過程是多維度、多時間尺度的耦合關系，且以虛控實為最終目的。數(shù)據的實時更新和動態(tài)處理是數(shù)字孿生過程的命脈之一。例如，數(shù)字孿生系統(tǒng)生命周期中的運行時間過程中，數(shù)據用來反饋物理實體的各種真實狀態(tài)，并進行優(yōu)化和反饋，如果數(shù)據的實時性很差，將會導致整個運行時間過程同步率差、容錯率非常高、數(shù)據偏差等問題。其次，數(shù)字孿生中的數(shù)據都是由自身產生，不具有先驗知識，對更新迭代有很高的要求。

實時性可以保證最后數(shù)字孿生形成一個自我優(yōu)化、自我反饋的閉環(huán)。實時性同樣要求傳感器數(shù)據傳輸速率需要達到一個極高的標準，如果產生網絡延遲等問題，將會大大的影響傳感器的實時性。這也是目前數(shù)字孿生技術中傳感器網絡的一個技術難點，數(shù)字孿生系統(tǒng)中普遍存在大量傳感器節(jié)點，以目前的無線傳輸速度很難滿足如此龐大的無線傳感器網絡。在未來，5G時代下的強大速度完全可以承擔數(shù)字孿生技術中的高速率傳輸，可以裝配更多傳感器，實時收集更多、更廣、更細的數(shù)據。

2.1.3 協(xié)調性

多源傳感器之間的格式編碼基本都不同。不同的數(shù)據編碼格式在互相融合的過程中會產生不可避免的誤差。所以采用易融合性高的編碼格式可以有效的減少在融合處理數(shù)據方面產生的誤差[12]。

目前的傳感器網絡主要是分布式傳感器網絡，分布式傳感器網絡可以通過在分布式網絡中插入傳感器來節(jié)點來獲取環(huán)境中個物理屬性的當前狀態(tài)，但是分布式傳感器網絡的缺點十分的明顯，分布式傳感器網絡會造成大量的數(shù)據通信，并且不同的傳感器接入同一個網段，數(shù)據之間的通信格式必然會形成一個新的問題。對于這個問題，國外已有學者研究了一種新型的傳感器網絡。本文首先提出了一種新的范式數(shù)字雙網絡(digital twins network，DTN)來建立網絡拓撲結構和任務隨機到達模型。該方法可以完全解決在分布式網絡中存在的問題。

2.2 多源異構數(shù)據處理及連接方式

對于數(shù)字孿生中的數(shù)據模型及連接方式，主要問題存在于以下4個方面：①多源異構數(shù)據之間的協(xié)調同步；②數(shù)據傳輸?shù)陌踩院碗[私性；③數(shù)據傳輸?shù)目煽啃?；④低耗能的?shù)據傳輸[6]。

多源異構數(shù)據之間的協(xié)調同步是現(xiàn)在數(shù)字孿生技術面對的一個主要問題，也是當今大數(shù)據時代普遍面臨的一個重大難題之一。解決多源異構數(shù)據之間的協(xié)調同步的關鍵是需要一種模型或算法對多源異構數(shù)據進行匹配、融合和處理。目前，普遍采用3V（海量、高速、類型多樣）特性下的集成技術，該集成技術包括模式/本體對齊、實體鏈接、沖突解決和關系推演。但基于3V特性下的集成技術存在一定的技術局限性，導致多源異構數(shù)據之間的協(xié)調同步仍存在固定偏差。未來在大數(shù)據技術的快速發(fā)展下，多源異構數(shù)據之間的融合將會有更好的表現(xiàn)形式[13]。

無線傳輸是數(shù)字孿生技術中最常用的傳輸方式，無線傳輸?shù)倪h距離、低成本、低功耗都給數(shù)字孿生技術帶來很大的便利，但無線傳輸受限于其自身的傳輸方式，相較有線傳輸，可靠性和安全性都存在一定的隱患。如使用無線網絡的形式對數(shù)據進行傳輸，則必須考慮到數(shù)據在傳輸過程中因為各種可能丟包、甚至被惡意非法篡改的可能性，因此無線傳輸通常采用一種特殊加密的通信協(xié)議來確保目標能夠收到發(fā)出端發(fā)出的完整、可靠、安全的信息。目前，無線網絡技術逐步向5G時代發(fā)展，5G技術將提供超高速、高可靠性、低能耗、高安全性的通信和數(shù)據傳輸，5G技術的發(fā)展必定會為數(shù)字孿生技術的通信連接提供有力的幫助。此外，區(qū)塊鏈技術和微云技術作為補充工具，也將進一步增強數(shù)據之間的智能連接[14]。

陶飛等[4, 7, 15-16]對于數(shù)字孿生產生的多源異構數(shù)據和連接方式提出了一種規(guī)則來約束。陶飛團隊在6個方面對數(shù)據進行規(guī)范，分別為數(shù)據表示標準、數(shù)據分類標準、數(shù)據存儲標準、數(shù)據預處理標準、數(shù)據使用與維護標準、數(shù)據測試標準。而對連接進行了4個方面的規(guī)范，分別是連接映射標準、信息傳輸標準、交互與集成標準、連接測試標準?？偣彩N關于數(shù)據與連接的規(guī)范標準可以很大程度上幫助解決以上存在的問題。

2.3 高保真虛擬建模及動態(tài)仿真

高保真性的虛擬建模技術是數(shù)字孿生的“靈魂”所在，而動態(tài)仿真則反映了數(shù)字孿生是跨越產品全生命周期的動態(tài)過程。數(shù)字孿生的高保真虛擬建模及動態(tài)仿真是為了能夠在計算機中盡可能的還原物理實體的各種幾何規(guī)則、物理學屬性。對于高保真虛擬建模及動態(tài)仿真來說，首先高保真虛擬建模需要多領域、多維度、多時間尺度、高精度的模型數(shù)據融合，其次對于動態(tài)仿真需要能夠實時監(jiān)控仿真過程并獲取反饋的數(shù)據、完成自我更新和優(yōu)化。

目前，虛擬仿真被用于生命周期的不同階段，由不同的工程學科、不同類型的終端用戶在不同的基礎設施結合不同的仿真領域和工程方法在各種不同的應用領域。工程師通常使用面向塊的仿真系統(tǒng)來開發(fā)控制器或使用有限元分析工具來測試和驗證組件布局，這樣的建模和仿真方式僅刻畫復原了數(shù)字孿生生命周期內的一個特定過程[17]。而在整個數(shù)字孿生周期內，單一維度單一尺度過程的建模方式會導致當特定過程的仿真數(shù)據在整個數(shù)字孿生生命周期過程發(fā)生變動時，會對使用不同方式進行平行虛擬建模的模擬系統(tǒng)造成不連續(xù)、耗時、精確度下降的問題。

例如，對于工業(yè)機器人的仿真方法通?；谶\動學和剛體動力學原理。工業(yè)機器人的仿真有非常多的模擬軟件可用，一些已知的和當前使用的仿真軟件工具ROBCAD，V-RE、Demo3D等[18]。這些模擬工具的應用為規(guī)劃和優(yōu)化機器人工廠、傳感器、裝配系統(tǒng)等提供了高效和靈活的可能性。但是，幾乎所有這些系統(tǒng)的缺點都是缺乏靈活性，因為它們只是為一個非常特定的應用領域開發(fā)的。數(shù)字孿生是一個全生命周期的過程，對于特定領域的建模方式往往在數(shù)字孿生技術的配置方面是很復雜且極容易出錯的[19]。就目前來說，還缺少一種整體的、融合性的虛擬仿真技術可以在數(shù)字孿生的整個生命周期內發(fā)揮作用。

所以，為了克服當前以工具為中心的方法的這些局限性，有必要開發(fā)新的概念，使仿真技術的用戶能夠在不同的維度上靈活地結合和交換不同的方面。就一個維度而言，必須能夠組合這個維度的不同方面，并在各個方面之間輕松地進行更改。對多個維度而言，我們必須能夠整合來自各個維度的各個方面。在未來數(shù)字時代的建模與仿真可以與真實世界建立永久、實時、交互鏈接，建模與仿真不再是離線的、獨立的、特定階段的存在，而是向在線化、泛在化、常態(tài)化的服務發(fā)展[20]。

3 數(shù)字孿生在智能制造領域中的應用

數(shù)字孿生技術作為工業(yè)領域的新一代代表性技術，具體在以下幾個領域都有很廣泛的應用，如制造車間、航空設備、軍工設備、智慧醫(yī)療、智慧城市、復雜裝備制造等領域[15]。

3.1 數(shù)字孿生在車間制造領域中的應用

以制造車間為例，制造業(yè)最基本的單元就是制造車間，數(shù)字化和智能化對于實現(xiàn)車間的智能制造是非常迫切的。將數(shù)字孿生技術應用在制造車間從而形成新的體系結構——數(shù)字孿生車間。數(shù)字孿生車間的全生命周期主要體現(xiàn)在以下4個階段，分別是產品設計階段、產品生產階段、產品運行階段、產品維護階段，如圖6所示[21]。

圖6 數(shù)字孿生車間在各生命周期階段Fig. 6 Digital twin workshops at various life cycle stages

3.1.1 數(shù)字孿生車間在產品設計階段

由于車間制造的產品本身不具備任何先驗知識，是一個從無到有的自主變化過程[21]。因此，通過數(shù)字孿生技術對車間生產產品進行建模，然后通過觀察產品的虛擬模型在仿真環(huán)境下一定時間內的各項變化來預測和評估真實產品在未來時間范圍內的各種可能性[22]。

數(shù)字孿生技術可以對車間的需求進行快速地配置并且建立相對應的數(shù)字孿生虛擬模型，借助大數(shù)據分析和歷史數(shù)據，在產品研發(fā)初期就可以迅速的確定產品需要使用的組件配置，并擬合得到成品的雛形[23]。在建立了相對應的數(shù)字孿生虛擬模型之后，通過將虛擬模型放入高度還原的虛擬仿真環(huán)境中進行測試，可以得到虛擬模型在仿真環(huán)境中的運行軌跡，并通過多次重復的仿真獲得多組運行軌跡數(shù)據，對數(shù)據進行整合和處理，可以得到真實產品在真實環(huán)境下的運行軌跡。

產品設計階段對車間生產產品的虛擬模型進行了虛擬運行軌跡的判斷，保證了真實產品的有效性和可用性，并極大程度的為之后的生產過程簡化了時間和人力成本[24]。

3.1.2 數(shù)字孿生車間在產品生產階段。

對于普通工廠而言，車間流水線的人機交互性較差，在監(jiān)控和管理之間存在一定的時間差，并且極度依賴人力成本。而數(shù)字孿生車間可以極大程度的提升車間的人機交互性，減少人力成本資源，并可對物理車間進行仿真來構建一個與物理車間相互映射的虛擬車間。虛擬車間實時同步、更新物理車間的最近狀態(tài)，并通過上位機平臺對虛擬車間進行實時監(jiān)控、指令下達、生產調度、生產管理、安全報警等指令[25]。

數(shù)字孿生車間通過對生產線的零件、生產方式進行生產調度管理，根據在設計階段成形的數(shù)據，精準的完成生產零件的配置和運用，并對流水線執(zhí)行時間分配管理、柔性調度管理等優(yōu)化算法，最大程度的提升了車間流水線的生產能力和生產時間飽和度[26]。

數(shù)字孿生車間不僅可以對生產線進行了生產調度管理、流水線性能優(yōu)化，還可以對整個生產過程進行實時監(jiān)控、人為介入管理、安全報警等。通過虛擬模型，可以使管理員在任何有網絡信號的地方對生產線進行實時監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)異常，數(shù)字孿生系統(tǒng)會自動觸發(fā)安全性能報警功能[27]。而在生產過程中存在的許多生產變換性，數(shù)字孿生車間允許管理員進行干預管理和操作，實時對生產過程進行調控和控制[28]。

3.1.3 數(shù)字孿生車間在產品運行階段

普通車間通常缺乏對產品運行狀態(tài)的監(jiān)控和評估，以至于產品在運行過程中長時間處于觀測盲區(qū)，極大縮短了產品的真實運行生命周期[29]。

因此，數(shù)字孿生車間來對車間生產產品進行了有效監(jiān)控，利用分布式傳感器網絡中的各傳感器節(jié)點對運行過程、運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控、管理和調整，不間斷記錄產品運行期間產生的運行數(shù)據，并反饋數(shù)據到虛擬模型中，再通過計算機對數(shù)據進行反饋和處理，最終將大量的運行數(shù)據整理為運行歷史記錄存儲在云服務器中[29]。

海量的運行歷史數(shù)據為數(shù)字孿生車間做出決策提供了基本保障，并且通過運行歷史數(shù)據的不斷迭代更新，數(shù)字孿生系統(tǒng)可以不斷優(yōu)化和完善之前的設計過程，提升設計過程的速度和精準度，最終完成自我優(yōu)化、自我更新[30]。

3.1.4 數(shù)字孿生車間在產品維護階段

普通車間通常缺乏對產品故障、損壞的判斷標準，主要依靠人為經驗來對產品進行故障檢測和判斷[31]。因此通過數(shù)字孿生車間可以用來對車間產品進行維護、健康管理、報廢處理等，數(shù)字孿生車間通過對產品搭載大量的傳感器來獲得產品的零件磨損、疲勞、故障、損壞等情況并實時反饋數(shù)據至虛擬模型，虛擬模型根據反饋數(shù)據以及大量的歷史數(shù)據進行大數(shù)據計算，對產品作出健康管理以及對產品可能產生的磨損、報廢情況進行預估[32]。

當產品出現(xiàn)磨損、故障、損壞等情況時，數(shù)字孿生技術可以實時捕捉問題位置，問題情況，并根據大數(shù)據運算給出損壞、報廢的具體情況和說明。利用維護階段的歷史數(shù)據，數(shù)字孿生車間可以在車間生產階段對一些高風險部位進行修正和更改，并對高風險部位增加安全性能檢測和管理，減少損壞和磨損出現(xiàn)的可能性，增加產品的使用時間，最終形成數(shù)字孿生車間的閉環(huán)管理[33]。

3.2 數(shù)字孿生在其他領域的應用

數(shù)字孿生技術在其他領域包括航空設備、軍工設備、船舶制造、文化遺產、復雜裝備制造、智慧醫(yī)療、智慧城市等方面也有很好的應用。例如，在物質文化遺產建設中數(shù)字孿生技術可以幫助構建“數(shù)字孿生物質文化遺產系統(tǒng)”，建立物質文化遺產數(shù)字化，幫助保護、傳承、開發(fā)物質文化遺產[34]；在船舶制造方面，數(shù)字孿生技術可以幫助構建全生命周期的“船舶數(shù)字孿生系統(tǒng)”，開展基于數(shù)字孿生船舶的生命周期一體化管理；在復雜裝備方面，數(shù)字孿生技術可以對整個復雜系統(tǒng)進行運行監(jiān)控、狀態(tài)檢測等，從而提高復雜裝備的使用壽命；在智慧醫(yī)療方面，數(shù)字孿生可以幫助醫(yī)療領域建設“醫(yī)療數(shù)字孿生系統(tǒng)”以及幫助個人建立“醫(yī)療數(shù)字孿生個體”[35]；在智慧城市方面，互聯(lián)網企業(yè)龍頭公司使用數(shù)字孿生技術幫助當?shù)卣?guī)劃、管理城市，如阿里巴巴集團與杭州市政府合作，運用阿里巴巴的數(shù)字孿生技術來實現(xiàn)杭州市的城市管理；騰訊集團與云南省文旅廳合作，通過“一部手機游云南”項目，將云南旅游的各方各面結合在一起。

4 結 語

數(shù)字孿生作為一門集合了多學科，多領域的綜合技術目前發(fā)展還未成熟，尚缺一些重要的關鍵技術，并且在國內的應用還不多，但是可以肯定的是數(shù)字孿生技術有非常好的前景性。首先數(shù)字孿生的出現(xiàn)給了推動產業(yè)智能化一個明確的方向，其次數(shù)字孿生技術的應用寬泛性非常的大，小至一條車間流水線，大至整個城市都可以運用數(shù)字孿生技術，最后數(shù)字孿生技術的高集成、高融合性保證了他能夠在未來長時間內生存和發(fā)展。

數(shù)字孿生技術目前在很大層面上受限于當前的技術水平，但我們不妨暢想一下未來，數(shù)字孿生技術可以和許多相關技術互相配合。例如，數(shù)字孿生技術搭配5G的超高速通信可以使數(shù)字孿生的應用層面擴大到所有可以想象到的方面，并且5G的超高速互聯(lián)給了數(shù)字孿生中分布式傳感器更多的傳感器空間，更多的傳感器就意味著數(shù)字孿生系統(tǒng)對環(huán)境的收集能力變得更廣泛、更精準；而數(shù)字孿生搭配VR虛擬現(xiàn)實技術可以使用戶從視覺、聲覺、觸覺等各個方面提供沉浸式的虛擬現(xiàn)實體驗，實現(xiàn)實時連續(xù)的人機互動；數(shù)字孿生技術也可以配合3D打印技術來完成物理實體的創(chuàng)建過程，當數(shù)字孿生系統(tǒng)建立了虛擬模型之后，通過3D打印技術可以盡可能的還原數(shù)字孿生所建立的虛擬模型。

總之，數(shù)字孿生技術的發(fā)展呈現(xiàn)一個可預期的上升趨勢，作為工業(yè)4.0時代下最閃耀的新星，相信數(shù)字孿生技術在未來的發(fā)展會越來越好。