生產(chǎn)加工階段是數(shù)字孿生技術(shù)的一個(gè)重要的應(yīng)用場(chǎng)景。目前個(gè)性化、多元化的市場(chǎng)消費(fèi)需求成為主流，制造業(yè)正面對(duì)日漸激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，面臨著極大的時(shí)間、成本、質(zhì)量、產(chǎn)品差異化等方面的壓力。企業(yè)很難適應(yīng)市場(chǎng)環(huán)境的突然變化，比如受此次受疫情的影響，怎樣運(yùn)用技術(shù)手段迅速實(shí)現(xiàn)復(fù)工復(fù)產(chǎn)，是每個(gè)制造企業(yè)所需要面臨的問(wèn)題。
除此之外，企業(yè)還面臨著許多棘手的問(wèn)題需要解決，比如新產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)周期過(guò)長(zhǎng)，沒(méi)法實(shí)現(xiàn)從“以產(chǎn)定銷”到“按需生產(chǎn)”模式轉(zhuǎn)換；企業(yè)投入大量的人力物力財(cái)力進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新，卻沒(méi)法精確評(píng)估新產(chǎn)品是否可以在現(xiàn)有的制造條件下進(jìn)行生產(chǎn)，因?yàn)樾略O(shè)計(jì)的產(chǎn)品必定要求新的工藝、新的工裝甚至于新的設(shè)備、新的生產(chǎn)線，倘若在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)之初不認(rèn)真評(píng)估新產(chǎn)品的可制造性，則必定帶來(lái)極大的隱患。
而構(gòu)建基于數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)字化工廠是解決這些問(wèn)題的最佳方式，通過(guò)依托于產(chǎn)品整個(gè)周期的真實(shí)有關(guān)數(shù)據(jù)，在虛擬環(huán)境中對(duì)生產(chǎn)的全過(guò)程進(jìn)行仿真、優(yōu)化及重構(gòu)。通過(guò)創(chuàng)建虛擬模型來(lái)模擬生產(chǎn)過(guò)程，并且這些虛擬模型可以為物理工廠車間里所有連接的機(jī)器、工具和設(shè)備進(jìn)行數(shù)字操作。這就可以使企業(yè)可以迅速配置生產(chǎn)系統(tǒng)，以最大限度地提高工作效率，提高資產(chǎn)利用率，避免 停機(jī)，具有一定的靈活性。
一、數(shù)字孿生概念的發(fā)展歷史
密歇根大學(xué)的邁克爾·格里夫斯教授在2003年提出了“物理產(chǎn)品的數(shù)字表達(dá)”的概念，并明確指出物理產(chǎn)品的數(shù)字表達(dá)應(yīng)可以抽象的表達(dá)物理產(chǎn)品，可以基于數(shù)字表達(dá)對(duì)物理產(chǎn)品進(jìn)行真實(shí)條件或模擬條件下的測(cè)試。這個(gè)概念盡管沒(méi)有被稱為數(shù)字孿生，但它具有數(shù)字孿生所具有的組成和功能，即創(chuàng)建物理實(shí)體的等價(jià)虛擬體，虛擬體可以對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行仿真分析和測(cè)試。邁克爾·格里夫斯教授提出的基礎(chǔ)理論，可以被看做是數(shù)字孿生在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用。
在那之后，數(shù)字孿生的概念逐漸拓展到了模擬仿真、虛擬裝配和3D打印這些領(lǐng)域，而到了2014年之后，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，更多的工業(yè)產(chǎn)品、工業(yè)設(shè)備具有了智能化的特征，而數(shù)字孿生也逐漸拓展到了包括制造和服務(wù)在內(nèi)的完整的產(chǎn)品周期階段，并不斷豐富著數(shù)字孿生的形態(tài)和概念。
二、數(shù)字孿生概念的不同形態(tài)
數(shù)字孿生技術(shù)貫穿了產(chǎn)品全生命周期中的不同階段，它同PLM（ProductLifecycleManagement）的理念是不謀而合的。可以說(shuō)，數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展將PLM的能力和理念從設(shè)計(jì)階段真正的拓展到了全生命周期。數(shù)字孿生以產(chǎn)品為主線，并在全生命周期的不同階段引進(jìn)不同的要素，形成了不同階段的表現(xiàn)形態(tài)。
1、設(shè)計(jì)階段的數(shù)字孿生
在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，運(yùn)用數(shù)字孿生可以提升 設(shè)計(jì)的精確性，并檢驗(yàn)產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境中的性能。這個(gè)階段的數(shù)字孿生，主要包含以下功能：
1）數(shù)字模型設(shè)計(jì)：運(yùn)用CAD工具設(shè)計(jì)出滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品虛擬原型，精準(zhǔn)的記錄產(chǎn)品的各類物理參數(shù)，以可視化的方式展現(xiàn)出來(lái)，并通過(guò)一系列的檢驗(yàn)手段來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)程度；
2）模擬和仿真：通過(guò)一系列可重復(fù)、可變參數(shù)、可加速的仿真實(shí)驗(yàn)，來(lái)檢驗(yàn)產(chǎn)品在不同外部環(huán)境下的性能和表現(xiàn)，在設(shè)計(jì)階段就檢驗(yàn)產(chǎn)品的適應(yīng)性。
2、制造階段的數(shù)字孿生
在產(chǎn)品的制造階段，運(yùn)用數(shù)字孿生可以加快產(chǎn)品導(dǎo)入的時(shí)間，提升 產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量、減少產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和提升 產(chǎn)品的交付速度。產(chǎn)品階段的數(shù)字孿生是一個(gè)高度協(xié)同的過(guò)程，通過(guò)數(shù)字化手段搭建起來(lái)的虛擬生產(chǎn)線，將產(chǎn)品自身的數(shù)字孿生同生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)加工過(guò)程等其它形態(tài)的數(shù)字孿生高度集成起來(lái)，實(shí)現(xiàn)以下的功能：
1）生產(chǎn)加工過(guò)程仿真：在產(chǎn)品生產(chǎn)之前，就可以通過(guò)虛擬生產(chǎn)的方式來(lái)模擬在不同產(chǎn)品、不同參數(shù)、不同外部條件下的生產(chǎn)加工過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)能、效率以及可能出現(xiàn)的生產(chǎn)瓶頸等問(wèn)題的事先預(yù)判，加速新產(chǎn)品導(dǎo)入的過(guò)程；
2）數(shù)字化產(chǎn)線：將生產(chǎn)階段的各類要素，如原材料、設(shè)備、工藝配方和工序要求，通過(guò)數(shù)字化的手段集成在一個(gè)緊密協(xié)作的生產(chǎn)加工過(guò)程中，并根據(jù)既定的規(guī)則，自動(dòng)的完成在不同條件組合下的操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的生產(chǎn)加工過(guò)程；同時(shí)記錄生產(chǎn)加工過(guò)程中的各類數(shù)據(jù)，為后續(xù)的分析和優(yōu)化提供重要依據(jù)。
3、服務(wù)階段的數(shù)字孿生
伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟和傳感器成本的降低，許多工業(yè)產(chǎn)品，從大型裝備到消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品，都運(yùn)用了大量的傳感器來(lái)采集產(chǎn)品運(yùn)行階段的環(huán)境和工作狀態(tài)，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化來(lái)規(guī)避產(chǎn)品的故障，改善用戶對(duì)產(chǎn)品的運(yùn)用體驗(yàn)。這個(gè)階段的數(shù)字孿生，可以實(shí)現(xiàn)以下的功能：
1）優(yōu)化客戶的生產(chǎn)指標(biāo)：對(duì)于許多需要依賴工業(yè)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的工業(yè)客戶，工業(yè)設(shè)備參數(shù)設(shè)置的合理性以及在不同生產(chǎn)條件下的適應(yīng)性，通常決定了客戶產(chǎn)品的質(zhì)量和交付周期。而工業(yè)設(shè)備廠商能夠通過(guò)海量采集的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建起針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景、不同生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑤椭淇蛻魞?yōu)化參數(shù)配置，以提升客戶的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
2）產(chǎn)品使用反饋：通過(guò)采集智能化工業(yè)產(chǎn)品的實(shí)時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，工業(yè)產(chǎn)品制造商能夠洞悉客戶對(duì)產(chǎn)品的真正需求，不僅能夠協(xié)助客戶加快對(duì)新產(chǎn)品的導(dǎo)入周期、避免產(chǎn)品錯(cuò)誤使用導(dǎo)致的故障、提高產(chǎn)品參數(shù)配置的準(zhǔn)確性，更能夠精準(zhǔn)的掌握客戶的需求，避免研發(fā)決策失誤。
三、數(shù)字孿生的意義
1、更方便快捷，更適合創(chuàng)新
數(shù)字孿生通過(guò)設(shè)計(jì)工具、仿真工具、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)等各類數(shù)字化的手段，將物理設(shè)備的各類屬性映射到虛擬空間中，生成可拆解、可復(fù)制、可轉(zhuǎn)移、可修改、可刪除、可重復(fù)操作的數(shù)字化鏡像，這極大地加快了操作人員對(duì)物理實(shí)體的了解，能夠讓許多原先由于物理?xiàng)l件限制、必須依賴于真正的物理實(shí)體而無(wú)法完成的操作，如模擬仿真、批量復(fù)制、虛擬裝配等，成為觸手可及的工具，更能激發(fā)人們?nèi)ヌ剿餍碌耐緩絹?lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)。
2、更全方位的分析和預(yù)測(cè)能力
目前的產(chǎn)品生命周期管理，很少能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)，因此通常無(wú)法對(duì)隱藏在表象下的問(wèn)題事先進(jìn)行預(yù)判。而數(shù)字孿生能夠結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)的處理和人工智能的建模分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前狀態(tài)的評(píng)估、對(duì)以往發(fā)生問(wèn)題的診斷，以及對(duì)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，并給予分析的結(jié)果，模擬各類可能性，提供更全方位的決策支持。
3、經(jīng)驗(yàn)的數(shù)字化
在傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)領(lǐng)域，經(jīng)驗(yàn)通常是一種模糊而很難掌握的形態(tài)，很難將其做為精準(zhǔn)判決的依據(jù)。而數(shù)字孿生的一大關(guān)鍵進(jìn)步，是能夠通過(guò)數(shù)字化的手段，將原先無(wú)法保存的專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)字化，并提供了保存、復(fù)制、修改和轉(zhuǎn)移的能力。比如，針對(duì)大型設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的各類故障特性，能夠?qū)鞲衅鞯臍v史數(shù)據(jù)通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練出針對(duì)不同故障現(xiàn)象的數(shù)字化特性模型，并結(jié)合專家處理的記錄，將其生成未來(lái)對(duì)設(shè)備故障狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)判決的依據(jù)，并可針對(duì)不同的新形態(tài)的故障進(jìn)行特性庫(kù)的豐富和更新，最終生成自治化的智能化診斷和判決。