前言
现如今在工业制造领域，实体的成本远远高于虚拟数字模拟的成本。因此，可以利用数字模拟信息代替实体完成工业各环节的生产活动，用预先模拟和仿真来分析系统的性能，基于数字化模拟来改进和预测生产活动的布局方式和工艺方案，从而达到降本增效的目的，数字孪生的概念因此应运而生。
数字孪生的概念
“数字孪生”的概念来源于英文“Digital Twin”的翻译，同时数字孪生还有其他的外号，比如“数字镜像”、“数字映射”、“数字双胞胎”以及“数字孪生体”等，这些名字都代指“digital twin”。顾名思义，数字孪生是指针对物理空间中的实体，通过数字化的手段在虚拟空间中创建实体的“双胞胎”，也就是一个物理实体的虚拟模型，借助这个虚拟模型的数据，去模拟物理实体在现实环境中的行为，通过数据实现对物理实体的未来分析和优化，通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段，为生产制造活动提供新的时空维度。
如果难以理解，我们可以把它具体场景化：
场景一： 产品研发阶段，我们可以通过数字孪生技术先在虚拟空间进行模拟，减少研发阶段的试错，后在真正实体研发的时候，能避免走弯路，达到降低研发成本，缩短研发周期，优化产品设计的效果。
场景二： 工厂和产线建设之初，我们可以通过数字孪生先进行产线/工厂的模拟模型的建立，通过数字化模拟和测试，能不断优化产线/工厂的布局，使最后实际建设达到最优化。
场景三： 车间制造阶段，我们可以通过数字孪生构建车间孪生模型，将整个车间的生产状态同步映射于数字孪生模型，可以想象成一个大型的数字化的实时的场景同步再现，这样可以实现实时、透明的车间监控和管理，起到“情况尽在掌握之中”的作用；而且在运营阶段，通过数字孪生来改善运营，并实现全部价值链的闭环反馈和持续改进。
数字孪生的发展阶段
数字孪生技术随着数字技术的发展而产生，从早前简单的数字编码标识技术开始，到今天虚实结合的数字孪生技术，可以将整个发展过程分为4个阶段。
1946年第一台电子管计算机的诞生，计算机帮助人们实现高速计算。为了在计算机上进行计算，就必须将计算对象数字化，计算过程程序化，将计算的数字化结果存储保存。计算机真正开始了生产制造全面的数字化进程，人们通过数字和字母的组成标识在计算机中表示不同的实体，发展到通过数据结构技术表示实体身份及其特征属性，这时由于还没有图形化的输入输出工具，信息主要由数据的形式体现，只有抽象的数字身份及特征来代表产品。
随着上世纪60年代CAD技术的出现，图纸上产品的设计图形开始以图形化的形式在计算机中处理，通过图形交互设备进行产品的几何设计，特别是2D到3D技术的发展，通过3D实体的建模，使设计人员的构思直观地展示出来，产品不仅有了数字身份，还有与其物理实体“形”似的静态几何模型数据，这在只有抽象概念的基础上得到了很大的进步，但还是“徒有其表”，形似神不似。
利用数字模型对产品的相关功能和性能进行仿真评价，出现了所谓数字样机DMU( Digital Mock－Up) 概念。按照我国国家标准“机械产品数字样机通用要求”中的规定，数字样机是对机械产品整机或具有独立功能的子系统的数字化描述，这种描述不仅反映了产品对象的几何属性，还至少在某一领域反映了产品对象的功能和性能。数字样机的概念将三维模型从静态表达展示产品几何信息上升到也能反映产品的功能和性能的动态领域，使三维模型不仅和实体产品“形” 似而且还行为相仿，达到形似神似的地步，从此出现了数字孪生技术的雏形。
虚实结合体现在采用数字化手段创建一个与产品物理实体在外表表现和内在性质相似的虚拟产品，建立了虚拟空间和物理空间的关联，使两者之间可以进行数据和信息的交互，形象直观地体现了以虚代实、虚实互动及以虚控实的理念。这种理念从小到一个产品、大到一个车间，直到一个工厂一个复杂系统都可以建立一个对应的数字孪生体，从而构建起一个“活的”虚拟空间。我们能通过在虚拟空间的数据，对未来进行一定的预测，能帮我们规避问题和找到正确的道路。
这个概念最早在美国航空航天局NASA的阿波罗项目中采用，在该项目中制造两个完全相同的空间飞行器，一个留在地球上的飞行器称为孪生体，用来反映或作镜像正在执行任务的空间飞行器的状态。在飞行准备期间，孪生体应用于仿真验证及飞行训练，在任务执行期间，该孪生体尽可能精确地反映和预测正在执行任务的空间飞行器的状态，从而辅助太空中的航天员做出正确的操作。这种方法突破了以前只在设计制造阶段采用的原型样机，将原型样机应用扩展到产品的实际运行阶段。
数字孪生的应用场景
数字孪生已经渗透到智能制造中的各个阶段，在不同的场景都得到了有效地应用，例如装配应用、员工维护和培训、产品测评、智能工厂建设、仓储物流管理等，能大幅度提升生产、制造、装配、设计、规划和物料方面的管理效率，降低试错成本。
虚拟装配通过建立一个多感知通道的虚拟环境，使用户可以进行人机交互式的装配操作，利用虚拟装配技术可以优化机械产品的设计和规划，亦可以用于培训装配操作人员。
▲数字孪生技术装配应用
产品设计是产品全生命周期中的重要环节，也是数字孪生技术应用于智能制造中的第一步。大规模、个性化的产品设计目前已成为企业追求的理想设计目标。传统设计方法普遍存在需求不精准、设计协作难等问题，且样机的试制周期长成本高，无法及时对其性能进行反馈和验证，严重影响企业的产品创新和市场开发。为此，数字孪生技术被逐渐引入其中。
数字孪生技术使设计人员能够比较虚拟产品在不同环境下的性能，以确保将生产产品的实际行为与期望实际值之间的不一致性降至最低。同时，数字孪生可以避免因评估虚拟产品而进行的冗长测试，从而加快设计周期。
信息流和物流是智能工厂正常运行的两条动脉，相比而言，针对物流和仓储的可视化研究是重中之重，在物流中，可以对AGV载具的运输线路和时间等进行数字孪生研究，通过虚拟仿真技术的模拟，实现运输效率的最大化。
▲仓储数字化模拟
▲物流路线数字化模拟
在企业生产制造中，数字孪生在远程监控和虚拟调试等方面起到了关键作用。对正处于运行阶段的制造生产，可以构建相应的数字孪生模型，能从全局角度研究工厂的运行状态。在这一过程中，不管是产品设备运行情况还是加工订单等各项信息都可以准确且直观地呈现到平台系统中，起到实时监控，把控全局的作用。同样，如果在运行期间发现了某一区域的设备出现问题，工作人员也可以通过操控平台及时发现出现故障的区域和类型。以佰思杰的数字孪生技术为例，其在制造行业中的应用，不仅能实时监管工厂运行情况，而且可以做到远程监控，及时模拟状态变化。
数字孪生还可以应用在对产线的虚拟调试，在数字化环境中对企业产品制造的生产线进行三维布局时，运用数字孪生技术能让管控设备和虚拟线相连；而在结束虚拟调试工作后，管控设备可以直接转换到具体的生产线上。此时，基于数字孪生的生产制造是具备随时切换环境能力的，并通过研究与优化正在运行的生产线问题，预防其产生不必要的损耗。
▲车间虚拟模拟
▲产线虚拟调试
产品的生产过程中会产生海量的多源、异构数据，数字孪生技术能够对其进行实时分析和处理，从而获得更全面、更有价值的信息，为生产设备提供故障预测和健康管理服务，同时，为工作人员提供技术指导和管理决策服务。通过三维可视化技术虚拟产品的运行现场，可以实现产品售后运维的实时监控与远程诊断。
▲基于百度地图的故障定位
▲故障定位和故障信息展示
数字孪生问题和发展方向
在技术方面，现有设备的计算能力有待提髙，硬件计算能力难以满足日益增长的应用需求。
从数据传输和工业互联网角度来看，数据的传输及时性将是数字孪生技术的一大考验。5G无线技术的发展，将是实现孪生车间中数据低延时和高可靠性的有力保证。
从模型的角度来看，通过各企业推出的虚拟模型构建的软件生成的模型，其定义格式之间相互不兼容，且各企业对于数字孪生技术的应用各有所侧重。如何实现各软件格式之间的兼容性将解决目前大企业各自发展、小企业难以发展的局面。
从车间服务系统来看，像PLM、MES等车间管理系统的应用将会不断地加大部署，并且从基于工业互联网平台向云服务平台发展，以增加服务系统的灵活性和轻便性。
总结
我国的数字孪生大多停留在理论层面，实际的落地应用较少。目前，在全球范围内数字孪生技术在智能制造的应用，大部分集中在故障预测和健康管理方面，少部分集中在与制造车间相关的虚拟调试、 生产调度、能耗管理等方面，且均与其真实的实体存在一定的差距。同时，缺少有效评价数字孪生模型的工具。随着制造业信息化、自动化的不断发展，以及和工业大数据、物联网、虚拟现实等技术的不断融合，未来的数字孪生技术一定会在智能制造的领域发光发热，拥有一片广阔前景。
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