引自：《数字孪生及车间实践》（作者：陶飞，戚庆林，张萌，程江峰）

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「 1. 洛克希德马丁的数字孪生实践 」

作为洛克希德·马丁公司的第五代战斗机，F-35战机引入并融合了多项创新技术，其生产流程复杂，而且其供应链包括1400多个供应商（其中有80多个在美国以外）。为编排全球范围内的供应链、提升质量降低成本，满足交付要求，多项关键策略已被采取作为F-35战机生产系统的一部分，其中也包括了数字孪生技术。在F-35的开发与生产过程中，分四个阶段应用数字线程技术。^[1]

数字线程实施的第一个阶段基于工程学生成、使用与重要精确的3D工程模型和2D工程图。生成的3D模型与2D工程图，以及已有部件的模型及已有相关分析数据会被纳入通用产品生命周期管理系统中，以实现可访问性和配置的集成。在设计、制造及维护过程中，3D模型大大降低工程设计与更改的成本，改善设施的开发与安装过程。

数字线程实施的第二阶段将数字线程所构建的工程数据与多种自动化技术相结合，以支持工厂的自动化。

数字线程实施的第三阶段将数字线程直接提供给现场工作人员。基于数字线程，可以创建如工作指令图形之类的产品，对现场工作的机械师或者维护人员进行指导，减少他们了解任务的时间；或者通过光学投影技术，直观地将工作指令投影到飞机上，引导工作人员的动作并预示下一步的行动。

数字线程实施的第四阶段则是对已制造的产品进行验证。通过使用先进的非接触式度量技术，如激光扫描和结构化光技术，可以在产品的构建或制造过程的早期识别偏差并迅速纠正，通过阻止缺陷向下游移动来降低成本。

通过与多种技术的结合使用，数字线程技术为F-35的生产系统带来了诸多好处，如减少设计与开发的成本、提高制造过程中产品质量、减少人工装配工作量等。

「 2. GE公司 」

几十年来，通用电气公司（GE）收集了大量资产设备（如航空发动机）的数据，通过数据挖掘分析，能够预测可能发生的故障和时间，但无法确定故障发生的具体原因，为解决这一问题，GE近年来格外重视数字孪生技术的应用于探索，推出了全球第一个专为工业数据分析和开发的云服务平台Predix。该平台可连接工业设备，获得设备全生命周期数据，同时将设备机理模型与数据挖掘分析相结合，提供实时服务支持。截止2018年已经拥有120万个数字孪生体，可以处理30万种不同的设备资产问题。

GE认为，数字孪生体的构建必须将设备机理模型和数据驱动分析结合起来，过程极为复杂，对于普通用户而言，通常不具备这种专业能力。GE将已有的大量资产设备数据和模型叠加，通过Predix平台，提供了一个通用的数字孪生体模型目录，包括多个工业数据分析模型以及超过300个资产和流程模型。这样用户就可以利用现有的通用模型进行模型构建、仿真、训练，从而快速构建数字孪生体，并可在现场运行或在云端大规模运行，将模型推向使用端，然后再将它们产生的信息传回云端。

如图1所示，以风力涡轮机为例，Predix提供的通用数字孪生体必须针对特定电厂的具体风力涡轮机进行定制。Predix中的风力涡轮机通用模型包含：具有材料和组件细节的PLM系统信息、3D几何模型、可根据物理算法预测行为的仿真模型等。此外，该模型还包含维护服务日志、缺陷和解决方案详情。一般这种机器工作寿命很久，需要承受极端的天气状况，而且与其他众多涡轮机一起运行。因此，风力涡轮机案例的建模必须包括整个风电厂。每台风力涡轮机大体相似，但其所处位置和条件（包括风向、尾流效应、维护记录等）都不相同。根据不断变化的风力条件来优化风力涡轮机，并在现场协调不同数字孪生体之间的相互作用，在无需对硬件设备进行较大改变的情况下，将风电厂的发电量提高了5%，充分说明了建立数字孪生体为风电厂所带来的实质性的帮助与提升。

图1 GE风力涡轮机的数字孪生

另外，GE在航空发动机领域也引入了数字孪生技术。GE认为，从概念设计阶段就开始建立航空发动机数字孪生体能更容易把设计过程和结构模型与运行数据联系起来。反过来说，发动机数字孪生体也能帮助优化设计，缩短设计周期。目前，GE通过汇总设计、制造、运行和其他方面的数据，以及在物理层面对发动机的了解，结合积累的航空发动机全生命周期数据，建立能够高保真刻画具有多种行为特征的数字发动机孪生体模型，并向物理空间传递在特定场景下所呈现的行为信息，从而实现对航空发动机运维过程的精准监测、故障诊断、性能预测和控制优化。基于航空发动机运维过程的数字孪生体应用，GE还正式发布了预测性维修和维护产品——TrueChoice，帮助客户优化全生命期内的所有成本。

GE用实践证明，传统的仿真技术不再仅仅只是作为工程师设计更出色产品和降低物理测试成本的利器。通过打造数字孪生体，仿真技术的应用将扩展到各个运营领域，涵盖产品的健康管理、远程诊断、智能维护、共享服务等应用。未来，随着数字孪生体概念变得更加普及，企业通过它能获得的优势将巨大无比。

「 3. MapleSoft公司 」

传统上生产系统的调试大都是通过实物测试，难以提前发现设计中存在的缺陷，导致设计周期长、成本高、设计空间小等问题，尤其是在最初概念生成、有限元分析、计算流体动力学、原型生成、生产设计和生产方面的成本将成数倍增加。针对此问题，MapleSoft软件公司开发了模型驱动的数字孪生产品MapleSim，可用于辅助产品设计的所有阶段的虚拟调试与仿真，可以显著降低开发新产品的风险。^[2]

MapleSim用于多领域复杂系统建模和仿真。^[3]MapleSim提供图形化的设计环境，只需要通过简单直观的鼠标操作，就可以完成各种复杂系统的建模。MapleSim使用了高级符号技术与高指数DAE求解器混合求解器，自动生成系统的“完全参数化的模型”，用于各种高级分析任务，以及实现高性能仿真和实时应用。图2是MapleSim创建数字孪生的流程图。

图2 MapleSim创建数字孪生的流程图

知名采矿设备公司FLSmith在MapleSim中搭建了提升式径向堆垛机的多领域动态模型，基于这一平台和模型，为工程师提供了一个虚拟环境来评估系统的动态响应，以达到虚拟调试的效果，并研究其在不同条件下的动态响应，如操作人员行为、载荷分布和崎岖地形。^[4]

这款堆垛机的MapleSim虚拟模型由主框架、可伸缩框架、移动和被动履带、悬挂组件、框架提升组件、调平液压组件以及附加在主框架上的外部组件的质量组成。^[5]该模型具有以下特点：

（1）模型中每个组件的位置和质量都是参数化的，可以修改，如果有需要可以添加更多组件;

（2）部分组件设计成偏心的，用来影响主框架的重心，进而影响整个堆垛机的稳定性；

（3）可扩展框架的扩展和收缩是按照用户自定义的速率执行，用来表示影响系统动态的另一个因素；

（4）整体模型除了包含主框架，还包括了可伸缩框架的运动、提升气缸的运动、液压系统的控制以及地形的影响。

这一模型为FLSmidth的工程师提供了一个虚拟环境，可以应用多种方法来评估系统的动态响应^[5]，例如：

（1）可以检查滚轮等部件的最大载荷，以及在极端加速或减速(如执行紧急停车)情况下结构的最大摆动量；

（2）可以用来检查地形变化对此系统的影响——检测此堆垛机可以安全跨越障碍物的最大高度，以及坑洼地段的最大深度，分析影响平衡的稳定性设计参数，如气缸直径；

（3）可以检查液压系统的动力学，以及整个系统的重量分布，从而确定影响结构稳定的因素；

（4）可以进行多种类型的深入分析，例如使用这一模型来评估整个堆垛机的子系统负载，用来验证现有的设计，或者新设计的部件选型。

FLSmidth堆垛机的MapleSim模型是完全参数化的，这使其能够用于多种用途。^[5]这一高保真刻画现有堆垛机的梳理孪生模型。可以用于调查操作安全极限，测试设计变更，并验证提出的改进方案，也可以配置成全新的方案设计，用于新设计早期研发阶段的可行性评估，对于虚拟调试具有重要意义。

「 4. Bentley的数字孪生 」

Bentley软件公司将数字孪生技术引入到公司开发的软件工具和解决方案中。其提供的基础设施工程数字孪生模型支持对基础设施资产进行全生命周期可视化，跟踪变更，并执行分析，从而优化资产性能。Bentley基础设施数字孪生模型可将工程数据、实景数据和物联网数据相结合，获得基础设施地上和地下的整体视图。沉浸式可视化和分析可见性可帮助用户更好地作出决策。

比如，Bentley提供了iTwin Services Subscription工具^[6]，通过这个工具，可以兼容来自不同供应商的基础设施模型和不同数据源，使得创建、可视化和分析数字孪生模型成为一件简单的事。该工具首先将工程数据、实景数据和物联网数据进行统一整合，然后基于构建的基础设施三维可视化模型，为用户提供三维/四维沉浸式体验。该工具支持快速交付实时数字孪生模型，使用混合现实实现数据可视化，并可以利用人工智能和机器学习，让决策者对数据产生新的认识。

Bentley公司还提供了iTwin Design Review工具^[7]，提供了变革性的数字化解决方案，每个团队成员都可以可视化并了解随时间发生的变更，查看对设计产生的影响，并快速有效地做出响应。通过使用iTwin Design Review支持的协同工程和设计校审实现了正确的首次工程设计，通过优化变更管理和不同工程专业之间的无缝沟通，Bentley的数字孪生模型技术可以有效降低设计周期。

「 5. 奇梦科技的数字孪生 」

近年来，奇梦科技在数字孪生、仿真领域开展了众多应用实践，实现了较为成熟的数字孪生、工业级虚拟仿真和数字大脑的研发和应用。奇梦科技开发了“秀品牛”数字孪生PaaS平台，为船舶、军工、智慧城市、核电、制造等领域提供了相关工具、能力和资源等系列敏捷式孪生开发工具，具有智能监管、智能分析、智能决策等功能。

在工业虚拟仿真方面，开发了基于生产关系与管理逻辑的神经网络建模仿真工具，可以进行虚拟工厂三维可视化运行仿真，具备以下功能：

（1）设备运行逻辑仿真，可以根据提供的设备逻辑关系，对设备运行机制进行仿真编程，并可以是每个设备的仿真运算与整体产线相连接，形成整体产线仿真系统；

（2）产线/系统逻辑仿真，根据产线、系统运行的逻辑关系，建立神经网络模型，通过实时数据的驱动，进行模拟仿真；

（3）管理协同逻辑仿真，可以根据管理需求，从物料、人员、设备、生产效率、生产质量、能源消耗、成本把控等各个维度进行综合协同；

（4）逻辑运算自矫正等功能，可以根据不断更新的实时数据，通过大数据分析，不断修正原始的逻辑算法，使仿真结果与实际产线更接近。^[8]

此外，在船舶与海洋领域，采用数字孪生技术服务于船舶制造、港口运维、海洋工程管理、船舶运维管理等方面。^[9]首先，整合多源异构的数据，将来自于多方的成本、能耗、设备、人员、环境等数据，按照生产运行逻辑进行统一整合；其次，三维可视化监管，采用三维可视化数字沙盘模式，呈现实时运行数据，提高应用管理效率；再次，一站式综合调度指挥平台，协调调度各个生产运营要素，根据管理需求，通过智能化数据分析，从全局角度科学评估运营状态。

「 6. 51WORLD的数字孪生 」

北京五一视界数字孪生科技股份有限公司（51WORLD）是一家数字孪生平台公司，以原创全要素场景（AES）为基础，融合物理模拟、工业仿真、人工智能、云计算等技术，重新定义数字孪生应用生态，帮助政府及企业进行新一轮数字化升级。51WORLD通过AES建立数字孪生平台，实现多源时空数据融合，城市数字底座搭建，多元仿真模型模拟等应用价值。围绕基于数字孪生的城市及园区生、规划及产品营销、设计及方案模拟验证、AI仿真训练及测试、模拟推演及预测等方面，已在城市、园区、交通、车辆、水务、港口、机场、地产等十多个行业等领域进行了应用实践。

51WORLD提出的数字孪生城市解决方案，如图3所示，旨在实现城市、街道、建筑等的全要素表达，并打通城市管理的各类数据孤岛，进而可以实施实时的运营管理、动态的城市更新以及突发事件的预案推演。目前51WORLD的数字孪生城市解决方案已经开展了数个落地应用，如安徽合肥天鹅湖智慧政务系统、京东数科雄安新区数字孪生平台、南京市江北新区智慧城市指挥中心、安徽铜陵城市超脑等。^[10]

图3 51WORLD智慧城市运维平台

同时，51WORLD在智能汽车领域也引入了数字孪生，开发了国内首款拥有自主知识产权的智能汽车虚拟仿真工具51Sim-One软件平台。^[11]51Sim-One虚拟仿真工具应用于各类自动驾驶系统共性技术的研发，为智能决策控制、复杂环境感知、人机交互与共驾、车路协同与网络通讯等提供了安全可控的全要素多层级的测试与评价技术支撑。同时，51Sim-One的仿真引擎已拓展服务于智慧城市交通系统、交通环境仿真、智慧道路设施部署与监控、无线网络建设评估等方面。

此外，51WORLD将数字孪生应用于水务系统，采用全要素场景数字孪生技术，基于各地水务、水网、水利、地信及水质监测终端的数据，生成“水务一张图”，对自然水系和城市管网进行统一系统管理，实现多源数据的直观可视，帮助一线人员和决策者快速精确决策。支持管网扩散分析、河道水质监测、能耗分析、桥隧淹没模拟、水坝等水利设施调控、水质变化反演、巡检统计等。^[12]

参考文献

[1]D Kinard ,The Digital Thread-Key to F-35 Joint Strike Fighter Affordability. https://www.aerospacemanufacturinganddesign.com/article/amd-080910-f-35-joint-strike-fighter-digital-thread/.

[2]Maplesoft, 多学科系统级建模. https://www.maplesoft.com.cn/products/maplesim/index.shtml.

[3]Maplesoft, Maplesoft Engineering Solutions team helps FLSmidth develop revolutionary mining equipment. https://www.maplesoft.com/company/casestudies/stories/flsmidth.aspx.

[4]Maplesoft, 数字孪生/数字双胞胎用于虚拟调试. https://www.maplesoft.com.cn/products/digitaltwins/index.shtml.

[5]Maplesoft公司, FLSmith利用MapleSim建立大型矿山设备系统模型. https://mp.weixin.qq.com/s/y6ZacuNOdCgZRYRui4xd6A.

[6]Bentley, Digital Twin Cloud Services for Infrastructure Engineering. https://www.bentley.com/en/products/product-line/digital-twins.

[7]Bentley, Optimize Engineering Design Reviews. https://www.bentley.com/en/products/product-line/digital-twins/itwin-design-review.

[8]秀品牛, 工业虚拟仿真. http://www.kimo-tech.com/h-col-117.html.

[9]秀品牛, 船舶与海洋工程解决方案. http://www.kimo-tech.com/h-col-123.html.

[10]51WORLD, 智慧城市. http://www.51hitech.com/technology/smart-city.

[11]51WORLD, 智能汽车. http://www.51hitech.com/technology/smart-car.

[12]51WORLD, 智能水务. http://www.51hitech.com/technology/smart-water.