数字孪生系列报道（一）：数字孪生及应用（附PDF下载）
数字孪生是一种集成多物理、多尺度、多学科属性，具有实时同步、忠实映射、高保真度特性 ，能够实现物理世界与信息世界交互与 融合的技术手段。随着数字孪生车间概念的提出 ，数字孪生在智能制造中的应用潜力得到越来越多的关注。分析了数字孪生在企业应用和理论研究上的进展，基于前期提出的数字孪生的五维结构模型，提出数字孪生驱动的6条应用准则，探索了数字孪生驱动的14类应用设想与实施过程中所需突破的关键问题。与技术未来开展数字孪生的进一步落地应用提供理论和方法论参考。
关键词 数字孪生；数字孪生模型；应用准则；数字孪生应用；智能制造
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随着新一代信息技术与制造业的融合与落地应用，世界各国纷纷出台了各自的先进制造发展战略，如美国工业互联和德国工业4.0，其目的之一是借力新一代信息技术，实现制造的物理世界和信息世界的互联互通与智能化操作，进而实现智能制造[1]。与此同时，在“制造强国”和“网络强国”大战略背景下，我国也先后出台了“中国制造2025”和“互联网+”等制造业国家发展实施战略。此外，党的十九大报告也明确提出“加快建设制造强国，加快发展先进制造业，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合”。其核心是促进新一代信息技术和人工智能技术与制造业深度融合，推动实体经济转型升级，大力发展智能制造。因此，如何实现制造物理世界与信息世界的交互与共融，是当前国内外实践智能制造理念和目标所共同面临的核心瓶颈之一[2]。
数字孪生（Digital Twin）是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为。作为一种充分利用模型、数据、智能并集成多学科的技术，数字孪生面向产品全生命周期过程，发挥连接物理世界和信息世界的桥梁和纽带作用，提供更加实时、高效、智能的服务，为解决物理世界与信息世界的交互与共融提供有效的解决途径。
数字孪生近期得到了广泛和高度关注。全球最具权威的IT研究与顾问咨询公司Gartner连续两年（2016年和2017年）将数字孪生列为当年十大战略科技发展趋势之一。世界最大的武器生产商洛克希德马丁公司2017年11月将数字孪生列为未来国防和航天工业6大顶尖技术之首；2017年12月8日中国科协智能制造学术联合体在世界智能制造大会上将数字孪生列为了世界智能制造十大科技进展之一。于此同时，许多国际著名企业已开始探索数字孪生技术在产品设计、制造和服务等方面的应用[4]。
虽然已有企业初步探索了数字孪生的相关应用，但数字孪生在实际应用过程中仍存很多问题和不足，如：缺乏系统的数字孪生理论/技术支撑和应用准则指导；数字孪生驱动的应用产生的比较优势不明；在产品生命周期各阶段的应用不全面。
2017年7月25日在北航召开了“第一届数字孪生与智能制造服务学术研讨会”，来自全国20多所高校的70余名学者参加了研讨。本文是在研讨会结束后，由北航陶飞教授发起，参考CIRP的Keynote Paper的组织和写作模式，邀请并组织国内十多个单位，针对以上问题，在研究分析数字孪生当前应用现状，总结当前数字孪生理论与技术研究进展基础上，基于前期成果提出的数字孪生五维结构模型，提出数字孪生驱动的六条应用准则（如图1所示），并探索数字孪生驱动的14类应用。由来自国内15家单位22位作者的最新研究成果《数字孪生及其应用探索》发表于《计算机集成制造系统》2018年第1期首篇上[3]。
图1 数字孪生五维结构模型与应用准则[3]
数字孪生应用准则：
信息物理融合是基石
多维虚拟模型是引擎
孪生数据是驱动
动态实时交互连接是动脉
服务应用是目的
全要素物理实体是载体
依据以上六条数字孪生驱动的应用基本准则，进一步尝试探索数字孪生驱动的14类应用的初步概念，并分析其与传统（或现有）方法的区别，以及其实施过程中所需突破的关键问题和技术等，从而为数字孪生理念的进一步应用提供参考。详细内容请见正文[3]：
基于数字孪生的产品设计
基于数字孪生的虚拟样机
基于数字孪生的车间快速设计
基于数字孪生的工艺规划
基于数字孪生的车间生产调度优化
基于数字孪生的生产物流精准配送
基于数字孪生的车间装备智能控制
基于数字孪生的车间人机交互
基于数字孪生的装配
基于数字孪生的测试/检测
基于数字孪生的制造能耗管理
基于数字孪生的产品质量分析与追溯
基于数字孪生的故障预测与健康管理
基于数字孪生的产品服务系统
数字孪生技术不仅可利用人类已有理论和知识建立虚拟模型，而且可利用虚拟模型的仿真技术探讨和预测未知世界[4]，来发现和寻找更好的方法和途径、不断激发人类的创新思维、不断追求优化进步。数字孪生技术为当前制造业的创新和发展提供了新的理念和工具，得到了工业界和学术界越来越广泛的关注。本文首先总结了数字孪生理论研究和企业应用上的当前进展，分析和探讨了当前数字孪生技术存在的问题和不足。同时，从应用需求出发，基于提出的数字孪生五维结构模型，设计了数字孪生驱动的应用六条基本准则。依据六条基本准则，进一步探索了数字孪生驱动的14类应用初步设想，以及与传统（或现有）方法的区别，数字孪生理念实施过程中所需突破的关键技术等。期望相关工作能为相关学者进一步开展数字孪生理论、技术和工程应用研究提供启发及参考。
文章转载自《计算机集成制造系统》2018年首篇文章推荐，如有涉及版权等问题请及时联系我们，著作权解释权属原创者所有，本文工业4.0俱乐部推荐阅读！
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