数字孪生“三段论”

数字孪生的概念，想必好多小伙伴们都知道。在了解了数字孪生是什么后，咱们就数字孪生的应用来做一番探讨。

数字孪生，起于设计

数字孪生技术提出的大的背景，是如何将设计内容用模型来承载，在虚拟的数字空间实现对产品的描述，并且随着产品设计研发的进展，不断地迭代，最终成为虚拟空间中镜像描述产品特征的一套数字模型集合。可以说，从需求模型开始，一套与承载着设计创新点、设计结果与设计模型平行的设计数字孪生体就已经存在，设计师们是在设计孪生体上不断进行设计探索和优化迭代，并将结果不断体现在实际的设计结果中。可以说，一个设计结果，包含着其设计阶段的数字孪生体多次迭代优化，最终输出的设计结果，就是实际产品的数字空间的描述，是实际产品的数字孪生体。

例如，针对复杂产品创新设计，达索公司建立了基于数字孪生的3D体验平台，利用用户交互反馈信息不断改进信息世界中的产品设计模型，并反馈到物理实体产品改进中。

此外，对于承接需求模型，并在设计初始阶段构建SA，采用功能模型和性能模型进行产品的描述，世冠科技公司的GCAir系统仿真与测试验证一体化平台有完整的解决方案。

数字孪生，兴于制造

在产品研发完成后，如何将产品进行高效率地制造，并在制造过程中完美实现设计，是制造系统的专家们一直探索的课题。

数字孪生技术，可以革命性地将制造系统本身进行数字化，构建出数字孪生车间、数字孪生工厂，或者准确地说，是车间和工厂的数字孪生体。通过这些加工设备、加工中心、车间乃至工厂级别的数字孪生体，来进行生产工艺、生产流程、生产调度等活动的虚拟数字探索，实现人、机、料、法、环等要素在生产过程中的优化配置，在虚实结合的过程中提供了工厂级别（目前技术上可能实施的是车间级别）的智能制造的基础，并在未来最终达到以虚控实的目标。但是生产制造阶段的数字孪生应用，是与设计和运维阶段的数字孪生应用有本质区别的：它主要解决的是生产系统本身的数字孪生问题，是将数字孪生技术用于生产组织，核心是生产系统的数字化描述，而不是产品的数字化描述。

在生产制造方面，西门子基于数字孪生理念构建了整合制造流程的生产系统模型，形成了基于模型的虚拟企业和基于自动化技术的企业镜像，支持企业进行涵盖其整个价值链的整合及数字化转型，并在西门子工业设备NanoboxPC的生产流程中开展了应用验证。

国内的专家如北航的陶飞教授团队以数字孪生为技术基础，提出了数字孪生车间（DTW）概念。数字孪生车间是在新一代信息技术和制造技术驱动下，通过物理车间与虚拟车间的双向真实映射与实时交互，实现物理车间、虚拟车间、车间服务系统的全要素、全流程、全业务数据的集成和融合。在车间孪生数据的驱动下，实现车间生产要素管理、生产活动计划、生产过程控制等在物理车间、虚拟车间、车间服务系统间的迭代运行，从而在满足特定目标和约束之下，达到车间生产和管控最优的一种车间运行新模式。

数字孪生，盛于运维

产品通过加工系统在物理上实现了之后，在交付用户之后，才开始了其寿命周期中最有价值的阶段。用户对产品特别是足够复杂得多物理领域耦合的产品的运维管控能力，成为了产品实现其价值的主要条件之一。如何能够对产品的状态进行识别、分析，从而做出合理的决策，并经过精准执行来完成闭环，是运维工作的难点。

通过数字孪生技术，用户可以通过多个设计好的传感器获取产品的实时信息，并将这些信息输入产品的数字孪生体中，确保数字孪生体与物理空间的产品状态的同步；在此基础上，可以通过数字空间的大量仿真运行，预测物理产品的功能、性能的变化，甚至能够对于关键指标的临界变化做出预测。这样，就通过数字孪生技术将物理世界的产品变为符合智能系统（详见赵敏等专家提出的20字判据）标准的产品，能够智能化地支持用户的运维管控需求。特别是因为数字孪生模型支持多域、多维度层次表达技术，使原来产品运维、操作训练、展示演示等活动可以基于相同的或者相关的一组底层模型来实施，真正实现了虚实融合、以虚控实。当然，在使用中获得的反馈又可以通过模型的承载，按照数字线索回输到设计端，支持产品的持续改进，当然，这就是涉及数字线索的另一个话题了。

在数字孪生的技术实践中，在故障预测与健康管理方面，美国国家航空航天局（NASA）将物理系统与其等效的虚拟系统相结合，研究了基于数字孪生的复杂系统故障预测与消除方法，并应用在飞机，飞行器，运载火箭等飞行系统的健康管理中心。美国空军研究实验室结构科学中心通过将超高保真的飞机虚拟模型与影响飞行的结构偏差和温度计算模型相结合，开展了基于数字孪生的飞机结构寿命预测。在产品服务方面，PTC公司将数字孪生作为“智能互联产品”的关键性环节，致力于虚拟世界与现实世界间建立一个实时的连接，将智能产品的预测性维修，为客户提供了高效的产品售后服务与支持。

世冠科技在这个领域进行大量的探索，采用自主知识产权产品GCAir系统仿真与测试验证一体化平台和GCKontrol系统设计与仿真软件在航空航天、汽车等用户中支持了用户的运维需求，并且真正实现了数字孪生技术的落地应用。