生產(chǎn)加工階段是數(shù)字孿生技術(shù)的一個重要的應(yīng)用場景。目前個性化、多元化的市場消費(fèi)需求成為主流，制造業(yè)正面對日漸激烈的市場競爭，面臨著極大的時間、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)手段迅速實現(xiàn)復(fù)工復(fù)產(chǎn)，是每個制造企業(yè)所需要面臨的問題。
除此之外，企業(yè)還面臨著許多棘手的問題需要解決，比如新產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)周期過長，沒法實現(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力進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新，卻沒法精確評估新產(chǎn)品是否可以在現(xiàn)有的制造條件下進(jìn)行生產(chǎn)，因為新設(shè)計的產(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)計之初不認(rèn)真評估新產(chǎn)品的可制造性，則必定帶來極大的隱患。
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題的最佳方式，通過依托于產(chǎn)品整個周期的真實有關(guān)數(shù)據(jù)，在虛擬環(huán)境中對生產(chǎn)的全過程進(jìn)行仿真、優(yōu)化及重構(gòu)。通過創(chuàng)建虛擬模型來模擬生產(chǎn)過程，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)對物理產(chǎn)品進(jìn)行真實條件或模擬條件下的測試。這個概念盡管沒有被稱為數(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)建物理實體的等價虛擬體，虛擬體可以對物理實體進(jìn)行仿真分析和測試。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)計過程中的應(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，數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展將PLM的能力和理念從設(shè)計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)計階段的數(shù)字孿生
在產(chǎn)品的設(shè)計階段，運(yùn)用數(shù)字孿生可以提升 設(shè)計的精確性，并檢驗產(chǎn)品在真實環(huán)境中的性能。這個階段的數(shù)字孿生，主要包含以下功能：
1）數(shù)字模型設(shè)計：運(yùn)用CAD工具設(shè)計出滿足技術(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，并通過一系列的檢驗手段來檢驗設(shè)計的精準(zhǔn)程度；
2）模擬和仿真：通過一系列可重復(fù)、可變參數(shù)、可加速的仿真實驗，來檢驗產(chǎn)品在不同外部環(huán)境下的性能和表現(xiàn)，在設(shè)計階段就檢驗產(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)入的時間，提升 產(chǎn)品設(shè)計的質(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)字孿生是一個高度協(xié)同的過程，通過數(shù)字化手段搭建起來的虛擬生產(chǎn)線，將產(chǎn)品自身的數(shù)字孿生同生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)加工過程等其它形態(tài)的數(shù)字孿生高度集成起來，實現(xiàn)以下的功能：
1）生產(chǎn)加工過程仿真：在產(chǎn)品生產(chǎn)之前，就可以通過虛擬生產(chǎn)的方式來模擬在不同產(chǎn)品、不同參數(shù)、不同外部條件下的生產(chǎn)加工過程，實現(xiàn)對產(chǎn)能、效率以及可能出現(xiàn)的生產(chǎn)瓶頸等問題的事先預(yù)判，加速新產(chǎn)品導(dǎo)入的過程；
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，通過數(shù)字化的手段集成在一個緊密協(xié)作的生產(chǎn)加工過程中，并根據(jù)既定的規(guī)則，自動的完成在不同條件組合下的操作，實現(xiàn)自動化的生產(chǎn)加工過程；同時記錄生產(chǎn)加工過程中的各類數(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)級產(chǎn)品，都運(yùn)用了大量的傳感器來采集產(chǎn)品運(yùn)行階段的環(huán)境和工作狀態(tài)，并通過數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化來規(guī)避產(chǎn)品的故障，改善用戶對產(chǎn)品的運(yùn)用體驗。這個階段的數(shù)字孿生，可以實現(xiàn)以下的功能：
1）優(yōu)化客戶的生產(chǎn)指標(biāo)：對于許多需要依賴工業(yè)設(shè)備來實現(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)備廠商能夠通過海量采集的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建起針對不同應(yīng)用場景、不同生產(chǎn)過程的經(jīng)驗?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：通過采集智能化工業(yè)產(chǎn)品的實時運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，工業(yè)產(chǎn)品制造商能夠洞悉客戶對產(chǎn)品的真正需求，不僅能夠協(xié)助客戶加快對新產(chǎn)品的導(dǎo)入周期、避免產(chǎn)品錯誤使用導(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)字孿生通過設(shè)計工具、仿真工具、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等各類數(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物理實體的了解，能夠讓許多原先由于物理條件限制、必須依賴于真正的物理實體而無法完成的操作，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)ヌ剿餍碌耐緩絹韮?yōu)化設(shè)計、制造和服務(wù)。
2、更全方位的分析和預(yù)測能力
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，因此通常無法對隱藏在表象下的問題事先進(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，實現(xiàn)對當(dāng)前狀態(tài)的評估、對以往發(fā)生問題的診斷，以及對未來發(fā)展趨勢的預(yù)測，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)驗的數(shù)字化
在傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計、制造和服務(wù)領(lǐng)域，經(jīng)驗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，是能夠通過數(shù)字化的手段，將原先無法保存的專家經(jīng)驗進(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，針對大型設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)的各類故障特性，能夠?qū)鞲衅鞯臍v史數(shù)據(jù)通過機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練出針對不同故障現(xiàn)象的數(shù)字化特性模型，并結(jié)合專家處理的記錄，將其生成未來對設(shè)備故障狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)判決的依據(jù)，并可針對不同的新形態(tài)的故障進(jìn)行特性庫的豐富和更新，最終生成自治化的智能化診斷和判決。