暢想一下數(shù)字孿生

開(kāi)車(chē)的人都怕遇到這種情況：車(chē)輛在野外突然拋錨，自己不會(huì)修，附近也沒(méi)維修店。如果這輛車(chē)配有一個(gè)數(shù)字孿生系統(tǒng)，與它一同運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)時(shí)顯示車(chē)輛各部分運(yùn)行狀況，提前告知可能會(huì)出現(xiàn)的故障以進(jìn)行維護(hù)，那么就能減少車(chē)輛意外拋錨情況的發(fā)生。

這項(xiàng)功能被稱(chēng)為“預(yù)測(cè)性維護(hù)”，是數(shù)字孿生技術(shù)的重要優(yōu)勢(shì)。數(shù)字孿生針對(duì)物理空間中的“實(shí)體”，與“實(shí)體”對(duì)應(yīng)，采用數(shù)字孿生技術(shù)創(chuàng)建的虛擬模型也稱(chēng)為“虛體”( 等同“數(shù)字孿生體”)，也就是指物理空間中的對(duì)象在虛擬空間中的數(shù)字模型。

該模型通過(guò)傳感器隨時(shí)獲取真實(shí)物體的數(shù)據(jù)，并隨之一起演變、成熟甚至衰老。利用該模型，人們可以對(duì)物理對(duì)象進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)、診斷或者訓(xùn)練，從而優(yōu)化和決策。這個(gè)數(shù)字模型就像是真實(shí)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(shù)字孿生模型。

數(shù)字孿生的起源

這里主要探討生產(chǎn)制造中產(chǎn)品的數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)際上，數(shù)字孿生概念也是基于產(chǎn)品全生命周期管理提出來(lái)的。從全生命周期的觀點(diǎn)看，將制造分為規(guī)劃設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造和運(yùn)行服務(wù)3 個(gè)階段。

2003 年密歇根大學(xué)教授Dr. Michael Grieves 在產(chǎn)品全生命周期管理PLM 課程的文檔中提出了“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”的概念，包括了物理空間的實(shí)體產(chǎn)品、數(shù)字空間的虛擬產(chǎn)品及兩者之間的數(shù)據(jù)和信息過(guò)程接口，把虛擬產(chǎn)品從設(shè)計(jì)階段帶入到制造和運(yùn)行的全生命周期，這被認(rèn)為是數(shù)字孿生概念的雛形。

廣義上講數(shù)字孿生就是用來(lái)在虛擬空間中建立有形的物理空間孿生體的技術(shù)。

工業(yè)制造中的數(shù)字孿生

在規(guī)劃設(shè)計(jì)階段人們已利用計(jì)算機(jī)建立物理實(shí)體的模型進(jìn)行仿真，隨著CAD 及仿真技術(shù)的發(fā)展，不僅要求“模型”在離線時(shí)更加逼真全面的代表實(shí)體，而且在在線時(shí)能夠?qū)崟r(shí)反映實(shí)體的狀態(tài)，特別是能提前預(yù)測(cè)出實(shí)體的狀態(tài)。

智能制造包含設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和運(yùn)維階段的時(shí)間維度，數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用各有區(qū)別。

（1）設(shè)計(jì)階段。人們經(jīng)過(guò)協(xié)同設(shè)計(jì)，完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作，創(chuàng)建產(chǎn)品的設(shè)計(jì)模型 ——數(shù)字孿生體。可利用虛擬使用環(huán)境，對(duì)可制造性、可實(shí)用性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，之后可進(jìn)入生產(chǎn)階段。

（2）生產(chǎn)階段。產(chǎn)品制造是虛實(shí)融合的過(guò)程，物理工廠的數(shù)字孿生運(yùn)行在云平臺(tái)的虛擬空間中，同時(shí)，物理設(shè)備及由傳感器組成的物聯(lián)網(wǎng)IoT通過(guò)低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)如時(shí)間敏感性網(wǎng)絡(luò)TSN\5G等進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通過(guò)模型交互得到預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，在控制周期中完成對(duì)加工過(guò)程的優(yōu)化控制。

（3）運(yùn)維階段。數(shù)字孿生體既滿(mǎn)足對(duì)產(chǎn)品使用狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，在云平臺(tái)上對(duì)產(chǎn)品功能和性能進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)，對(duì)問(wèn)題進(jìn)行預(yù)警；也可以在操作培訓(xùn)和使用指導(dǎo)方面，借助虛實(shí)融合技術(shù)數(shù)字孿生也能提供更加逼真的效果。

總而言之，數(shù)字孿生技術(shù)在產(chǎn)品全生命周期的各個(gè)階段有其不同的體現(xiàn)和作用，在以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為架構(gòu)平臺(tái)的智能制造系統(tǒng)中，數(shù)字虛體主要生存在云平臺(tái)層，其面向控制維度的模型布置在邊緣層，參與實(shí)時(shí)控制。

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