暢想一下數字孿生

開車的人都怕遇到這種情況：車輛在野外突然拋錨，自己不會修，附近也沒維修店。如果這輛車配有一個數字孿生系統，與它一同運轉，實時顯示車輛各部分運行狀況，提前告知可能會出現的故障以進行維護，那么就能減少車輛意外拋錨情況的發生。

這項功能被稱為“預測性維護”，是數字孿生技術的重要優勢。數字孿生針對物理空間中的“實體”，與“實體”對應，采用數字孿生技術創建的虛擬模型也稱為“虛體”( 等同“數字孿生體”)，也就是指物理空間中的對象在虛擬空間中的數字模型。

該模型通過傳感器隨時獲取真實物體的數據，并隨之一起演變、成熟甚至衰老。利用該模型，人們可以對物理對象進行分析、預測、診斷或者訓練，從而優化和決策。這個數字模型就像是真實物體的孿生兄弟，因而得名。小到一顆螺絲釘，大到一座城市，物理世界中的各種事物均可擁有數字孿生模型。

數字孿生的起源

這里主要探討生產制造中產品的數字孿生技術，實際上，數字孿生概念也是基于產品全生命周期管理提出來的。從全生命周期的觀點看，將制造分為規劃設計、生產制造和運行服務3 個階段。

2003 年密歇根大學教授Dr. Michael Grieves 在產品全生命周期管理PLM 課程的文檔中提出了“與物理產品等價的虛擬數字化表達”的概念，包括了物理空間的實體產品、數字空間的虛擬產品及兩者之間的數據和信息過程接口，把虛擬產品從設計階段帶入到制造和運行的全生命周期，這被認為是數字孿生概念的雛形。

廣義上講數字孿生就是用來在虛擬空間中建立有形的物理空間孿生體的技術。

工業制造中的數字孿生

在規劃設計階段人們已利用計算機建立物理實體的模型進行仿真，隨著CAD 及仿真技術的發展，不僅要求“模型”在離線時更加逼真全面的代表實體，而且在在線時能夠實時反映實體的狀態，特別是能提前預測出實體的狀態。

智能制造包含設計、生產和運維階段的時間維度，數字孿生技術應用各有區別。

（1）設計階段。人們經過協同設計，完成產品的設計工作，創建產品的設計模型 ——數字孿生體。可利用虛擬使用環境，對可制造性、可實用性進行仿真驗證，之后可進入生產階段。

（2）生產階段。產品制造是虛實融合的過程，物理工廠的數字孿生運行在云平臺的虛擬空間中，同時，物理設備及由傳感器組成的物聯網IoT通過低時延網絡如時間敏感性網絡TSN\5G等進行數據交換。通過模型交互得到預測數據，在控制周期中完成對加工過程的優化控制。

（3）運維階段。數字孿生體既滿足對產品使用狀態的實時監控，在云平臺上對產品功能和性能進行分析、預測，對問題進行預警；也可以在操作培訓和使用指導方面，借助虛實融合技術數字孿生也能提供更加逼真的效果。

總而言之，數字孿生技術在產品全生命周期的各個階段有其不同的體現和作用，在以工業互聯網為架構平臺的智能制造系統中，數字虛體主要生存在云平臺層，其面向控制維度的模型布置在邊緣層，參與實時控制。

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