數(shù)字孿生概念起源于產(chǎn)品全生命周期管理（PLM），由美國(guó)密歇根大學(xué)教授邁克爾·格里夫斯于2002年提出。數(shù)字孿生應(yīng)用最早發(fā)生于航空航天領(lǐng)域，其中，美國(guó)國(guó)家航空航天局和美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室是第一批數(shù)字孿生應(yīng)用企業(yè)。近年來(lái)，數(shù)字孿生應(yīng)用已從航空航天領(lǐng)域向工業(yè)各領(lǐng)域全面拓展，西門(mén)子、通用電氣等工業(yè)巨頭紛紛打造數(shù)字孿生解決方案，并賦能工業(yè)企業(yè)。據(jù)IDC預(yù)測(cè)，到2022年，70%的制造商將使用數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行流程仿真和場(chǎng)景評(píng)估?？梢?jiàn)，未來(lái)數(shù)字孿生技術(shù)有望持續(xù)在工業(yè)界發(fā)揮作用，加快推動(dòng)工業(yè)企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。
工業(yè)數(shù)字孿生技術(shù)體系
工業(yè)數(shù)字孿生技術(shù)不是近期誕生的一項(xiàng)新技術(shù)，它是一系列數(shù)字化技術(shù)的集成融合和創(chuàng)新應(yīng)用，技術(shù)體系涵蓋了感知控制、數(shù)據(jù)集成、建模分析、人機(jī)交互四大領(lǐng)域和基礎(chǔ)技術(shù)、核心技術(shù)兩大類(lèi)型。一方面，基礎(chǔ)技術(shù)是構(gòu)建數(shù)字孿生數(shù)據(jù)閉環(huán)的支撐保障，涵蓋面向感知控制領(lǐng)域的傳感技術(shù)和控制技術(shù)，面向數(shù)據(jù)集成領(lǐng)域的產(chǎn)品數(shù)據(jù)集成（PLM）和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集成（BPM）技術(shù)，面向建模分析領(lǐng)域的物理建模、數(shù)據(jù)建模、業(yè)務(wù)建模技術(shù)，以及面向人機(jī)交互領(lǐng)域的AR/VR技術(shù)。另一方面，核心技術(shù)是數(shù)字孿生應(yīng)用創(chuàng)新的動(dòng)力引擎，集中在數(shù)據(jù)集成和建模分析兩個(gè)領(lǐng)域，涵蓋數(shù)字線(xiàn)程、模型融合、模型修正、管理殼技術(shù)。
數(shù)字孿生基礎(chǔ)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
傳感技術(shù)向微型化和集成化發(fā)展，支撐數(shù)字孿生更深入地獲取物理對(duì)象數(shù)據(jù)。一是傳感器向微型化發(fā)展，能夠被集成到智能產(chǎn)品中，實(shí)現(xiàn)更深層次的數(shù)據(jù)感知。二是多類(lèi)傳感能力集成至單個(gè)傳感模塊，支撐實(shí)現(xiàn)更豐富的數(shù)據(jù)感知獲取。多傳感器融合技術(shù)基于多數(shù)據(jù)融合分析提升決策水平。
物理建模工具創(chuàng)新應(yīng)用，提升數(shù)字孿生模型構(gòu)建效率。一是基于AI的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)工具提升增量產(chǎn)品的幾何設(shè)計(jì)效率。二是基于三維掃描建模工具實(shí)現(xiàn)存量產(chǎn)品的自動(dòng)化幾何建模。三是仿真工具通過(guò)融入無(wú)網(wǎng)格劃分功能縮短仿真時(shí)長(zhǎng)。
傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析疊加人工智能技術(shù)，強(qiáng)化數(shù)字孿生預(yù)測(cè)建模能力。一是基于深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等新興機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，建立深度分析模型，提高分析效率。二是基于知識(shí)圖譜構(gòu)建全產(chǎn)業(yè)鏈、全領(lǐng)域的巨模型，大大拓展模型關(guān)聯(lián)范圍。三是基于遷移學(xué)習(xí)理論，提升模型通用性，不需要針對(duì)同領(lǐng)域、同類(lèi)型、不同問(wèn)題的對(duì)象多次建模。
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展帶來(lái)全新人機(jī)交互模式，提升數(shù)字孿生可視化效果。新興AR/VR技術(shù)具備三維可視化效果，正加快與幾何設(shè)計(jì)、仿真模擬融合，有望持續(xù)提升數(shù)字孿生應(yīng)用效果。在“AR﹢CAD”“AR﹢三維掃面建模”“AR﹢仿真”等領(lǐng)域，目前都實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用落地。
數(shù)字孿生核心技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
數(shù)字線(xiàn)程技術(shù)拓展數(shù)字孿生數(shù)據(jù)集成范圍和深度。一是數(shù)字線(xiàn)程技術(shù)從基于PLM/ BPM的局部互聯(lián)向基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的全面互聯(lián)演進(jìn)。傳統(tǒng)PLM僅聚焦提供面向產(chǎn)品的數(shù)據(jù)集成能力，BPM聚焦提供商業(yè)數(shù)據(jù)集成能力，而借助IoT平臺(tái)的跨領(lǐng)域數(shù)據(jù)集成能力，能夠構(gòu)建包含產(chǎn)品全生命周期、全業(yè)務(wù)流程的數(shù)字線(xiàn)程。如PTC利用ThingWorx平臺(tái)使creo（CAD）、windchill（PLM）、Vuforia（AR）以及其他多個(gè)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同步，構(gòu)建全流程的數(shù)字線(xiàn)程。二是數(shù)字線(xiàn)程技術(shù)由單一領(lǐng)域向機(jī)械、軟件、電子多領(lǐng)域集成發(fā)展。傳統(tǒng)PLM僅管理機(jī)械領(lǐng)域數(shù)據(jù)，ALM管理IT軟件領(lǐng)域數(shù)據(jù)，EDA管理電子電控領(lǐng)域數(shù)據(jù)，而數(shù)字線(xiàn)程技術(shù)實(shí)現(xiàn)面向機(jī)械、軟件、電子等多領(lǐng)域數(shù)據(jù)深度集成。如西門(mén)子X(jué)celerator綜合集成了產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）、應(yīng)用生命周期管理（ALM）、制造運(yùn)營(yíng)管理（MOM）、嵌入式軟件和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）。
跨領(lǐng)域、跨尺度、跨類(lèi)型模型融合技術(shù)支撐復(fù)雜孿生模型構(gòu)建。一是多物理、多學(xué)科跨領(lǐng)域模型融合技術(shù)構(gòu)建更全面、更完整的孿生模型。如ANSYS Simplorer提供多物理場(chǎng)建模仿真解決方案，能夠外部輸出復(fù)雜模型融合的數(shù)字孿生構(gòu)建服務(wù)。貝加萊MapleSim Connector多學(xué)科聯(lián)合仿真統(tǒng)一不同領(lǐng)域仿真工具接口，構(gòu)建系統(tǒng)級(jí)數(shù)字孿生應(yīng)用。二是以降階模型技術(shù)為代表的跨類(lèi)型模型融合技術(shù)，有效實(shí)現(xiàn)仿真模型和數(shù)據(jù)模型的互操作，極大縮短仿真求解時(shí)間。如ANSYS利用深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行10次CFD仿真，獲得整個(gè)工作范圍內(nèi)的流場(chǎng)分布降階模型，原先16個(gè)核的工作站需要計(jì)算2小時(shí)，現(xiàn)在筆記本電腦只需計(jì)算3秒鐘，極大縮短仿真模擬時(shí)間。三是多尺度建模技術(shù)通過(guò)建模工具融合不同時(shí)間、空間尺度的模型，使孿生模型能夠融合微觀和宏觀的多方面機(jī)理。如西門(mén)子自動(dòng)駕駛汽車(chē)產(chǎn)品PAVE，集成了從芯片設(shè)計(jì)到軟硬件系統(tǒng)、整車(chē)模型以及交通流量等不同領(lǐng)域和尺度下的模型，形成不同尺度孿生模型融合能力。
模型修正技術(shù)不斷提升數(shù)字孿生模型精度。基于實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)持續(xù)修正模型參數(shù)，是保證數(shù)字孿生高精度的關(guān)鍵手段，目前數(shù)據(jù)科學(xué)和仿真模型均具備相應(yīng)的模型動(dòng)態(tài)調(diào)整技術(shù)。一是在線(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)持續(xù)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)模型完善，能夠有效對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正。如流行的Tensorflow、Scikitlearn等AI工具中都嵌入了在線(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)模塊，基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新模型。二是有限元仿真模型修正技術(shù)能夠基于試驗(yàn)或者實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)原始有限元模型進(jìn)行修正。如達(dá)索、ANSYS、MathWorks等領(lǐng)先廠商的有限元仿真工具中，均具備了有限元模型修正的接口或者模塊，支持用戶(hù)基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行修正。
管理殼技術(shù)為數(shù)字孿生提供模塊化的管理框架。管理殼技術(shù)為數(shù)字孿生提供了一套數(shù)據(jù)互聯(lián)、信息互通、模型互操作的管理框架，為數(shù)字孿生提供從單元到系統(tǒng)的靈活組合能力。一是具備數(shù)據(jù)集成功能，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備、不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一。二是具備模型管理及融合功能，有效管理幾何模型、數(shù)據(jù)模型、仿真模型、業(yè)務(wù)模型等不同類(lèi)型模型，支持模型間無(wú)縫互操作。三是具備標(biāo)識(shí)解析功能，每個(gè)管理殼都有唯一標(biāo)識(shí)，不同管理殼間能夠相互識(shí)別，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管理殼間模型靈活抽取。四是具備工業(yè)通信功能、統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)共享。未來(lái)，管理殼技術(shù)有望通過(guò)疊加AI技術(shù)提升多智能體技術(shù)工程化應(yīng)用，為數(shù)字孿生提供更智能的協(xié)同管理。
工業(yè)數(shù)字孿生前景展望
工業(yè)數(shù)字孿生是多類(lèi)數(shù)字化技術(shù)的集成融合，其中工業(yè)仿真和新一代信息技術(shù)的融合應(yīng)用是數(shù)字孿生發(fā)展的關(guān)鍵。工業(yè)數(shù)字孿生是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，目前僅有少數(shù)工業(yè)巨頭能夠獨(dú)自構(gòu)建數(shù)字孿生解決方案，大多數(shù)企業(yè)需要通過(guò)能力互補(bǔ)合作共同提供數(shù)字孿生服務(wù)。統(tǒng)一數(shù)據(jù)與模型的標(biāo)準(zhǔn)是數(shù)字孿生創(chuàng)新發(fā)展面臨的最重要挑戰(zhàn)，管理殼有望成為關(guān)鍵解決方案。平臺(tái)是數(shù)據(jù)集成、模型融合的關(guān)鍵載體，將成為數(shù)字孿生發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施。
