目錄DIRECTORY第一章數(shù)字孿生概述FOUR目標(biāo)規(guī)劃1.1數(shù)字孿生起源FOUR目標(biāo)規(guī)劃1.2數(shù)字孿生概念FOUR目標(biāo)規(guī)劃1.3數(shù)字孿生國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀FOUR目標(biāo)規(guī)劃1.4數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)了解數(shù)字孿生產(chǎn)生的背景，包括第四次工業(yè)革命各國(guó)的制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略。了解物理孿生的概念、在大型復(fù)雜裝備開(kāi)發(fā)中的作用及與數(shù)字孿生的區(qū)別。了解數(shù)字孿生在各國(guó)的政策支持情況，以及國(guó)際和區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化組織在數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)化工作中的進(jìn)展。了解數(shù)字孿生在制造、裝備、建造、交通等領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景。理解數(shù)字孿生的多種定義，重點(diǎn)理解本書(shū)所采用的李培根院士對(duì)數(shù)字孿生的定義。理解數(shù)字孿生在產(chǎn)品全生命周期和生產(chǎn)系統(tǒng)中的應(yīng)用方式及價(jià)值。理解數(shù)字孿生裝備的構(gòu)成、智能特征和能力，以及在機(jī)床領(lǐng)域的應(yīng)用案例。掌握能夠清晰闡述數(shù)字孿生的起源、概念，準(zhǔn)確區(qū)分相關(guān)概念。掌握數(shù)字孿生的相關(guān)技術(shù)，能分析其在實(shí)際應(yīng)用中的作用和局限。掌握深入理解數(shù)字孿生在各行業(yè)的應(yīng)用模式，可結(jié)合具體案例進(jìn)行說(shuō)明。本章學(xué)習(xí)目標(biāo)本章思維導(dǎo)圖

背景：計(jì)算機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、工業(yè)軟件、數(shù)控機(jī)床、增材制造、虛擬現(xiàn)實(shí)、智慧物流、大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、人工智能、云計(jì)算及數(shù)字精益等技術(shù)的飛速發(fā)展，制造業(yè)與數(shù)字化技術(shù)的融合日益加深。應(yīng)用：助力數(shù)控機(jī)床、航空航天、高速列車(chē)、海工裝備及軍事裝備等高端裝備制造領(lǐng)域，由大批量制造模式向多品種小批量的制造模式轉(zhuǎn)變。1.1數(shù)字孿生起源數(shù)字孿生作為新興的技術(shù)近年來(lái)獲得了各行業(yè)的持續(xù)關(guān)注，與各行業(yè)不斷融合，有力推動(dòng)著各行業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展進(jìn)程。其思想是在虛擬數(shù)字空間構(gòu)建與物理實(shí)體的數(shù)字化映射，對(duì)其幾何屬性、物理規(guī)律、行為規(guī)則等進(jìn)行全方面、多維度、多物理量的動(dòng)態(tài)監(jiān)控、模擬、診斷與預(yù)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體的全生命周期管控和優(yōu)化。第四次工業(yè)革命的悄然興起，使得美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、日本等工業(yè)強(qiáng)國(guó)相繼部署了制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略，我國(guó)也于2015年推出了“中國(guó)智造2025”的戰(zhàn)略規(guī)劃。從內(nèi)容上，各國(guó)戰(zhàn)略規(guī)劃和實(shí)施方案不盡相同，但其重點(diǎn)和核心均落在智能制造上。1.1.1 數(shù)字孿生產(chǎn)生的背景國(guó)家（地區(qū)）戰(zhàn)略計(jì)劃提出時(shí)間主要內(nèi)容歐盟歐盟20202010年實(shí)現(xiàn)智能增長(zhǎng)、可持續(xù)增長(zhǎng)和包容性增長(zhǎng)美國(guó)先進(jìn)制造2012年加速“在工業(yè)化”和“制造業(yè)回歸”德國(guó)工業(yè)4.02013年智能+網(wǎng)絡(luò)化，發(fā)展CPS智能工廠英國(guó)工業(yè)20502013年未來(lái)制造業(yè)是“服務(wù)+再制造”法國(guó)未來(lái)工業(yè)計(jì)劃2015年工業(yè)工具現(xiàn)代化、數(shù)字技術(shù)改造經(jīng)濟(jì)日本新機(jī)器人2015年推進(jìn)機(jī)器人技術(shù)在其他領(lǐng)域落地，鞏固“機(jī)器人大國(guó)”地位中國(guó)中國(guó)制造20252015年重塑制造業(yè)技術(shù)體系、生產(chǎn)模式、產(chǎn)業(yè)形態(tài)和價(jià)值鏈，實(shí)現(xiàn)信息化、網(wǎng)絡(luò)化、服務(wù)化、協(xié)同化融合發(fā)展，推進(jìn)制造業(yè)升級(jí)表1-1各國(guó)的智能制造戰(zhàn)略模型是生產(chǎn)制造活動(dòng)中的重要要素，在不同歷史階段和不同技術(shù)背景下，呈現(xiàn)出不同形式，發(fā)揮了不同作用。鑄造中的“失蠟法”、“消失?！保瑱C(jī)加工中的“靠模法”，進(jìn)行醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)中的“雙胞胎”，復(fù)雜設(shè)備的“物理樣機(jī)”等都屬于物理孿生的范疇。而大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)后，同一類型的產(chǎn)品無(wú)論從外觀、性能各方面均一模一樣，也就是說(shuō)物理孿生不管是自然界還是人類社會(huì)都是普遍存在的。但這些孿生體之間的多個(gè)獨(dú)立個(gè)體之間卻鮮有信息、數(shù)據(jù)及控制指令的交互，只是“形”上面的孿生。1.1.2 物理孿生與數(shù)字孿生圖1-1陜飛運(yùn)20地面物理樣機(jī)及力學(xué)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)物理孿生體尤其是物理樣機(jī)在大型復(fù)雜裝備開(kāi)發(fā)過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用。一款飛機(jī)從設(shè)計(jì)到試飛最后交付，除了要做大量的飛行試驗(yàn)外，利用各尺度、復(fù)雜度的物理樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)飛行模擬是飛機(jī)開(kāi)發(fā)過(guò)程中不可或缺的環(huán)節(jié)。數(shù)字孿生體是運(yùn)用數(shù)字化建模、仿真、通訊、控制等手段，在虛擬環(huán)境中構(gòu)建物理實(shí)體的數(shù)字化映射。能真實(shí)的地反應(yīng)反映在其全生命周期中的各種表現(xiàn)，利用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)防診斷等技術(shù)對(duì)其可能存在的問(wèn)題進(jìn)行提前干預(yù)，以確保其平穩(wěn)運(yùn)行。同時(shí)利用數(shù)字采集技術(shù)，對(duì)其設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維過(guò)程中的多種參數(shù)變量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地的采集與分析，以優(yōu)化各階段性能、降低其技術(shù)和財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，提高設(shè)備利用率。圖1-2航天器信息鏡像模型（InformationMirroringModel）2003年，美國(guó)密歇根大學(xué)MichaelGrieves教授提出“與物理產(chǎn)品等價(jià)的虛擬數(shù)字化表達(dá)”概念，是數(shù)字孿生較為原始的表達(dá)。2010年，NASA提出了航天器數(shù)字孿生的概念和功能。2011年，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）的PamelaA.Kobryn和EricJ.Tuegel首次明確提出了數(shù)字孿生這個(gè)詞匯。1.2數(shù)字孿生概念在研究領(lǐng)域，數(shù)字孿生的研究論文每年呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，研究者分布在全世界各主要國(guó)家的高校和科研機(jī)構(gòu)，并取得了很多研究成果和進(jìn)展。在應(yīng)用領(lǐng)域，各大工業(yè)軟件的巨頭，如西門(mén)子公司、PTC公司、達(dá)索公司等，以及知名實(shí)業(yè)公司，如空客集團(tuán)、波音公司、特斯拉公司等都在積極實(shí)踐數(shù)字孿生。雖然數(shù)字孿生得到了業(yè)界廣泛關(guān)注和研究，但其概念和內(nèi)涵上卻并沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的定義。隨著數(shù)字孿生研究和實(shí)踐的不斷推進(jìn)，人們賦予數(shù)字孿生各種定義。下面列舉幾個(gè)比較有代表性的定義。MichaelGrieves教授認(rèn)為“數(shù)字孿生是一組虛擬信息結(jié)構(gòu)，可從微觀原子級(jí)別到宏觀幾何級(jí)別全面描述潛在的或?qū)嶋H的物理制成品。在最佳狀態(tài)下，可以通過(guò)數(shù)字孿生獲得任何物理制成品的信息?！蓖瑫r(shí)，MichaelGrieves教授將數(shù)字孿生可以解決的問(wèn)題分成了兩類：一是可預(yù)測(cè)的行為(PredictedBehavior)；二是不可預(yù)測(cè)的行為(UnpredictedBehavior)。隨后又進(jìn)一步將行為分為期望值（Desirable）和非期望值(Undesirable)。圖1-3系統(tǒng)行為分類系統(tǒng)行為分類可得到4類結(jié)果：1）預(yù)計(jì)得到的期望結(jié)果；2）預(yù)計(jì)得到的非期望結(jié)果；3）未預(yù)料到的期望結(jié)果；4）未預(yù)料到的非期望結(jié)果。李培根院士認(rèn)為：數(shù)字孿生是“物理生命體”的數(shù)字化描述?！拔锢砩w”是指“孕育”過(guò)程（即實(shí)體的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程）和服役過(guò)程（運(yùn)行、使用)中的物理實(shí)體（如產(chǎn)品或裝備），數(shù)字孿生體是“物理生命體”在其服役和孕育過(guò)程中的數(shù)字化模型。數(shù)字孿生不能只是物理實(shí)體的鏡像，而是與物理實(shí)體共生。數(shù)字孿生支持從創(chuàng)新概念開(kāi)始到得到真正產(chǎn)品的過(guò)程。該概念從通用角度對(duì)數(shù)字孿生進(jìn)行了定義，內(nèi)容完整且易于理解，本書(shū)采用了這一定義。在本書(shū)中，“數(shù)字孿生”是這項(xiàng)技術(shù)的統(tǒng)稱?！皵?shù)字孿生體”特指某物理實(shí)體在數(shù)字空間的數(shù)字化映射，與物理實(shí)體相對(duì)應(yīng)?！皵?shù)字孿生系統(tǒng)”是指構(gòu)成數(shù)字孿生應(yīng)用的包括物理實(shí)體、數(shù)字孿生體以及必要的互聯(lián)模型的整個(gè)系統(tǒng)。1.3 數(shù)字孿生國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀當(dāng)前，數(shù)字孿生已經(jīng)成為全球信息技術(shù)發(fā)展的新焦點(diǎn)，備受各行業(yè)關(guān)注。目前數(shù)字生技術(shù)發(fā)展已上升到國(guó)家策略層面，成為不少國(guó)家數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級(jí)的有力抓手。如美國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟將數(shù)字孿生作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地的核心和關(guān)鍵，德國(guó)工業(yè)4.0參考架構(gòu)將數(shù)字孿生作為重要內(nèi)容等。很多工業(yè)軟件巨頭也提出了相關(guān)的發(fā)展戰(zhàn)略和技術(shù)解決方案。數(shù)字孿生的提法最早出現(xiàn)在美國(guó)，美國(guó)也是最早開(kāi)展數(shù)字孿生研究與應(yīng)用的國(guó)家。美國(guó)是以NASA、AFRL等為代表的研究機(jī)構(gòu)主要將數(shù)字孿生應(yīng)用于航空航天的健康監(jiān)測(cè)、運(yùn)行維護(hù)、壽命預(yù)測(cè)等方面。德國(guó)提出工業(yè)4.0后，一直在論證和尋求能讓其落地的使能技術(shù)。數(shù)字孿生相對(duì)其他概念更易落地實(shí)施，德國(guó)工業(yè)4.0參考框架將數(shù)字孿生作為重要內(nèi)容。英國(guó)發(fā)布了《英國(guó)國(guó)家數(shù)字孿生體原則》，闡述了構(gòu)建國(guó)家數(shù)字孿生體的價(jià)值、標(biāo)準(zhǔn)、原則及路線圖。新加坡搭建了“虛擬新加坡”平臺(tái)，用于城市規(guī)劃、維護(hù)和災(zāi)害預(yù)警等。法國(guó)高規(guī)格推進(jìn)數(shù)字孿生巴黎建設(shè)，數(shù)字孿生技術(shù)助力巴黎奧運(yùn)會(huì)和巴黎圣母院重建。1.3.1 各國(guó)政策及發(fā)展情況我國(guó)政府相繼發(fā)布了數(shù)字孿生相關(guān)的政策文件。發(fā)布時(shí)間部門(mén)名稱主要內(nèi)容2021年12月中央網(wǎng)絡(luò)安全和信息化委員會(huì)《“十四五”國(guó)家信息化規(guī)劃》推進(jìn)城市數(shù)據(jù)資源體系和數(shù)據(jù)大腦建設(shè)，打造互聯(lián)、開(kāi)放、賦能的智慧中樞，完善城市信息模型平臺(tái)和運(yùn)行管理服務(wù)平臺(tái)，探索建設(shè)數(shù)字孿生城市。2022年6月國(guó)務(wù)院《關(guān)于加強(qiáng)數(shù)字政府建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》加快推進(jìn)城市運(yùn)行“一網(wǎng)統(tǒng)管”，探索城市信息模型、數(shù)字孿生等新技術(shù)運(yùn)用，提升城市治理科學(xué)化、精細(xì)化、智能化水平。2023年2月國(guó)務(wù)院《數(shù)字中國(guó)建設(shè)整體布局規(guī)劃》完善自然資源三維立體“一張圖”和國(guó)土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)，構(gòu)建以數(shù)字孿生流域?yàn)楹诵牡闹腔鬯w系。2023年4月工業(yè)和信息化部、文化和旅游部《關(guān)于加強(qiáng)5G+智慧旅游協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展的通知》推動(dòng)5G與物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、數(shù)字孿生、機(jī)器人等技術(shù)和產(chǎn)品的有效融合，滿足游客在旅游全過(guò)程智慧體驗(yàn)。2023年9月工業(yè)和信息化部、教育部等《元宇宙產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2023—2025年）》推動(dòng)人、機(jī)器、數(shù)據(jù)等關(guān)鍵要素的融合，構(gòu)建虛實(shí)結(jié)合的產(chǎn)線數(shù)字孿生體。打造工業(yè)元宇宙虛擬裝配空間，推動(dòng)零配件輔助裝配。2022年10月，國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布了國(guó)內(nèi)第一個(gè)數(shù)字孿生相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)——GB/T41723-2022《自動(dòng)化系統(tǒng)與集成復(fù)雜產(chǎn)品數(shù)字孿生體系架構(gòu)》。2023年12月，由中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院牽頭制定的GB/T43441.1-2023《信息技術(shù)數(shù)字孿生第1部分：通用要求》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布。IEEE（電氣電子工程師學(xué)會(huì)）研究了智能工廠物理實(shí)體的數(shù)字化表征和連接線要求相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。2023年11月，ISO/IECJTC1/SC41物聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字孿生分技術(shù)委員會(huì)發(fā)布公告，ISO/IEC30173:2023《數(shù)字孿生概念和術(shù)語(yǔ)》（ISO/IEC30173:2023Digitaltwin-Conceptsandterminology）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布。由于數(shù)字孿生的概念很好地契合了工業(yè)向智能化發(fā)展的趨勢(shì)，使其引起了制造領(lǐng)域中眾多數(shù)字化行業(yè)巨頭的關(guān)注。主要針對(duì)數(shù)字孿生在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過(guò)程、運(yùn)行維護(hù)與回收管理等產(chǎn)品全生命周期的應(yīng)用開(kāi)展了軟硬件數(shù)字系統(tǒng)及應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。目前數(shù)字孿生的概念被傳播到越來(lái)越多的領(lǐng)域中，并開(kāi)始逐漸走進(jìn)人們的生活。如今，不僅在軍工、航空航天、制造領(lǐng)域，在電力、汽車(chē)、船舶、醫(yī)療、城市管理等領(lǐng)域均有數(shù)字孿生的相關(guān)報(bào)道與應(yīng)用需求，并且持續(xù)有更多不同領(lǐng)域的專家、研究機(jī)構(gòu)、企業(yè)加入到數(shù)字孿生應(yīng)用的探索中。1.3.2 數(shù)字孿生主流廠商及方案在西門(mén)子（Siemens）的數(shù)字孿生應(yīng)用模型中，產(chǎn)品數(shù)字孿生（ProductDigitalTwin）、生產(chǎn)數(shù)字孿生（ProductionDigitalTwin）和性能數(shù)字孿生（PerformanceDigitalTwin）形成了一個(gè)完整的解決方案體系，并將西門(mén)子現(xiàn)有的產(chǎn)品及系統(tǒng)包攬其中，如Teamcenter、NX、Simcenter、TIA博途平臺(tái)、MindSphere云平臺(tái)等。達(dá)索系統(tǒng)（DassaultSystèmes）的數(shù)字孿生解決方案主要依托于3D體驗(yàn)平臺(tái)——3DEXPERIENCE，將CATIA、BIOVIA、SOLIDWORKS、SIMULIA、DELMIA等11款工業(yè)軟件集成到一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)字化創(chuàng)新環(huán)境中，可提供一個(gè)貫穿設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造、交付、運(yùn)營(yíng)等整個(gè)業(yè)務(wù)流程的完整解決方案。平臺(tái)將技術(shù)和功能集成到統(tǒng)一的數(shù)字化開(kāi)發(fā)環(huán)境中以開(kāi)發(fā)數(shù)字孿生應(yīng)用。利用3DEXPERIENCE平臺(tái)構(gòu)建的某數(shù)據(jù)中心孿生體各構(gòu)成要素如圖1-4所示。圖1-4利用3DEXPERIENCE平臺(tái)構(gòu)建的某數(shù)據(jù)中心數(shù)字孿生體各構(gòu)成要素

PTC的數(shù)字孿生解決方案是基于PTC的數(shù)字主線和數(shù)字孿生平臺(tái)，由CreoCAD數(shù)字設(shè)計(jì)平臺(tái)、WindchillPLM數(shù)字主線平臺(tái)、Vuforia增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平臺(tái)、ServigisticsSLM服務(wù)生命周期管理平臺(tái)、IntegrityALM軟件生命周期管理平臺(tái)、ThingWorx物聯(lián)網(wǎng)與分析平臺(tái)等數(shù)字技術(shù)產(chǎn)品形成了整合的解決方案，打通了需求、采購(gòu)、質(zhì)量與管控、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)、制造工廠、售后和召回等產(chǎn)品生命周期涉及的所有業(yè)務(wù)部門(mén)，形成了完整的數(shù)字主線，幫助用戶創(chuàng)建其業(yè)務(wù)的數(shù)字和實(shí)體之間的閉環(huán)?；赑TC數(shù)字孿生平臺(tái)數(shù)字孿生的產(chǎn)品研制及運(yùn)營(yíng)模式如圖1-5所示。圖1-5基于PTC數(shù)字孿生的產(chǎn)品研制及運(yùn)營(yíng)模式AnsysTwinBuilder是Ansys數(shù)字孿生軟件包，能協(xié)助工程師快速構(gòu)建、驗(yàn)證和部署物理產(chǎn)品的數(shù)字化表達(dá)。該方案為開(kāi)放式，可集成任何物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，能夠在運(yùn)行中持續(xù)監(jiān)控各類設(shè)備。Ansys還與其他領(lǐng)域眾多合作伙伴合作打造數(shù)字孿生生態(tài)，使仿真技術(shù)擴(kuò)展到各個(gè)領(lǐng)域，包括產(chǎn)品健康管理、遠(yuǎn)程診斷、智能維護(hù)和共享服務(wù)等應(yīng)用。AnsysTwinBuilder功能組成如圖1-6所示。圖1-6AnsysTwinBuilder功能組成GE（通用電氣）收集了大量資產(chǎn)數(shù)據(jù)（航空發(fā)動(dòng)機(jī)等），通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)能預(yù)測(cè)故障并確定故障發(fā)生的原因。GE利用CloudFoundry開(kāi)源框架構(gòu)建通用PAAS（平臺(tái)即服務(wù)）平臺(tái)，具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。建立了眾多的工業(yè)資產(chǎn)高保真數(shù)字孿生模型，如齒輪和發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字孿生模型。GEDigital的電網(wǎng)數(shù)字孿生案例如圖1-7所示。圖1-7GEDigital的電網(wǎng)數(shù)字孿生案例微軟的數(shù)字孿生解決方案是一系列與數(shù)字孿生相關(guān)的服務(wù)組合，是作為一個(gè)整體的Azure數(shù)字孿生服務(wù)集，包括AzureIoT、AzureDigitalTwins、AzureFunctions等工具。微軟所推出的數(shù)字孿生解決方案，是一個(gè)能夠與各種數(shù)字化平臺(tái)技術(shù)集成，構(gòu)建跨行業(yè)、且端到端就緒的數(shù)字孿生解決方案的開(kāi)放平臺(tái)服務(wù)。該解決方案可從智能制造、智能樓宇等行業(yè)“復(fù)用”到醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、教育、能源等行業(yè)，由此賦能并加速各行各業(yè)的企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。微軟數(shù)字孿生服務(wù)過(guò)程如圖1-9所示。圖1-9微軟數(shù)字孿生服務(wù)過(guò)程邁思信息所開(kāi)發(fā)的數(shù)字孿生軟件MesWorkDataFactory能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)仿真、虛擬調(diào)試、數(shù)字孿生可視化和產(chǎn)品云運(yùn)維等功能。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)據(jù)通訊、三維建模、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體工廠和孿生虛擬工廠雙向?qū)崟r(shí)映射。物理工廠設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與孿生工廠實(shí)時(shí)同步。平臺(tái)應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的仿真優(yōu)化、虛擬調(diào)試；實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)字孿生可視化；實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理環(huán)節(jié)的設(shè)備刀具、主軸等關(guān)鍵部件預(yù)防性維護(hù)、壽命管理。可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)加工車(chē)間、裝配車(chē)間的生產(chǎn)管控智能化升級(jí)，包括：生產(chǎn)計(jì)劃下達(dá)、智能排產(chǎn)、工藝防錯(cuò)、報(bào)工、設(shè)備管理、物料管理、質(zhì)量追溯、AGV自動(dòng)化物流等生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)管，通過(guò)大屏幕看板可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)了解生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)狀況，訂單執(zhí)行情況、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等，可通過(guò)直觀的數(shù)據(jù)圖統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)透明，有針對(duì)性突破管理瓶頸。捷匠科技自研了捷匠鈑金工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，平臺(tái)專注于構(gòu)建鈑金行業(yè)新生態(tài)，鏈接行業(yè)需求方、供給方及服務(wù)方等各類資源，優(yōu)化資源配置與高效協(xié)同，減少行業(yè)內(nèi)耗，同時(shí)為鈑金制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、創(chuàng)新升級(jí)提供全面解決方案。其開(kāi)發(fā)的FDSIM數(shù)字孿生平臺(tái)具有工藝過(guò)程仿真、虛擬調(diào)試、數(shù)據(jù)駕駛艙等功能。平臺(tái)采用面向?qū)ο蟮慕Ｋ枷?，將模型文件分為多個(gè)維度，例如網(wǎng)格模型、邏輯模型、數(shù)據(jù)模型、分析模型。平臺(tái)資源主要分為組件庫(kù)、零部件庫(kù)、貼圖庫(kù)和材質(zhì)庫(kù)。從團(tuán)隊(duì)角度來(lái)看，資源又分為系統(tǒng)庫(kù)、個(gè)人庫(kù)和團(tuán)隊(duì)庫(kù)。平臺(tái)形成了特定行業(yè)的資源庫(kù)，例如批量制造行業(yè)、離散制造行業(yè)、連續(xù)制造行業(yè)等?？蓪?shí)現(xiàn)機(jī)器人、AGV、機(jī)床、伺服、PLC單獨(dú)編程及它們之間聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)雙向控制。FDSIM平臺(tái)所構(gòu)建的數(shù)字孿生應(yīng)用的架構(gòu)如圖1-11所示。圖1-11FDSIM平臺(tái)數(shù)字孿生應(yīng)用架構(gòu)數(shù)字孿生作為連接物理世界與虛擬世界的核心技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)依賴于多種技術(shù)的協(xié)同整合。而數(shù)字孿生技術(shù)從數(shù)字模型、數(shù)字樣機(jī)相關(guān)技術(shù)發(fā)展而來(lái)。對(duì)于生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字孿生，又和虛擬制造技術(shù)相關(guān)。數(shù)字孿生的高速發(fā)展也會(huì)對(duì)相關(guān)技術(shù)產(chǎn)生新的發(fā)展需要。1.4 數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)模型是對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)有關(guān)結(jié)構(gòu)信息和行為的某種形式的描述，是對(duì)系統(tǒng)的特征與變化規(guī)律的一種定量抽象，是人們認(rèn)識(shí)事物的一種手段或工具。模型大致可以分為三類：1.物理模型：指不以人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀存在的實(shí)體，如飛行器研制中的飛行模型，船舶制造中的船舶模型等。2.形式化模型：用某種規(guī)范表述方法構(gòu)建的、對(duì)客觀事物或過(guò)程的一種表達(dá)。形式化模型實(shí)現(xiàn)了一種客觀世界的抽象，便于分析和研究。例如，數(shù)學(xué)模型，是從一定的功能或結(jié)構(gòu)上進(jìn)行抽象，用數(shù)學(xué)的方法來(lái)再現(xiàn)原型的功能或結(jié)構(gòu)特征。3.仿真模型：指根據(jù)系統(tǒng)的形式化模型，用仿真語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以實(shí)施的模型。1.4.1 建模仿真技術(shù)在數(shù)字制造中，需要用模型加以描述的對(duì)象包括：1.產(chǎn)品：產(chǎn)品的生命周期需要采用各種產(chǎn)品模型和過(guò)程模型來(lái)描述。2.資源：機(jī)器設(shè)備、資金、各種物料、人、計(jì)算設(shè)備、各種應(yīng)用軟件等制造系統(tǒng)中的資源，需要用相應(yīng)模型描述。3.信息：對(duì)數(shù)字制造全過(guò)程的信息的采集、處理和運(yùn)用，需要建立適當(dāng)?shù)男畔⒛Ｐ汀?.組織和決策：將數(shù)字制造的組織和決策過(guò)程模型化是實(shí)現(xiàn)優(yōu)化決策的重要途徑。5.生產(chǎn)過(guò)程：將生產(chǎn)過(guò)程模型化是實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)生產(chǎn)、調(diào)度過(guò)程優(yōu)化的前提。數(shù)字制造建模就是運(yùn)用適當(dāng)?shù)慕７椒▽?shù)字制造全生命周期的各個(gè)對(duì)象、過(guò)程等抽象地表達(dá)出來(lái)，并通過(guò)研究其結(jié)構(gòu)和特性，進(jìn)行分析、綜合、仿真及優(yōu)化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真建模已經(jīng)在眾多應(yīng)用領(lǐng)域中獲得了巨大成功。生產(chǎn)系統(tǒng)各層次對(duì)應(yīng)的仿真建模應(yīng)用如圖1-12所示。圖1-12生產(chǎn)系統(tǒng)各層次對(duì)應(yīng)的仿真建模應(yīng)用1.數(shù)據(jù)采集與感知技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）：通過(guò)傳感器、RFID、智能設(shè)備實(shí)時(shí)采集物理實(shí)體的狀態(tài)數(shù)據(jù)（如溫度、壓力、位置等）。5G/6G通信：提供低延遲、高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸，支持海量設(shè)備連接與實(shí)時(shí)同步。邊緣計(jì)算：在數(shù)據(jù)源頭附近進(jìn)行初步處理，減少云端負(fù)擔(dān)并提升響應(yīng)速度。2.數(shù)據(jù)管理與分析技術(shù)大數(shù)據(jù)平臺(tái)：存儲(chǔ)與處理海量異構(gòu)數(shù)據(jù)（如Hadoop、Spark）。人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)：用于數(shù)據(jù)模式識(shí)別、異常檢測(cè)、預(yù)測(cè)性維護(hù)（如深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)）。流數(shù)據(jù)處理：實(shí)時(shí)處理動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)流（如ApacheKafka、Flink）。3.建模與仿真技術(shù)3D建模與CAD/BIM：構(gòu)建物理實(shí)體的高精度幾何模型（如AutoCAD、Revit）。物理引擎與多物理場(chǎng)仿真：模擬物理行為（如ANSYS、MATLABSimulink）。數(shù)字線程（DigitalThread）：貫穿產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)流整合，實(shí)現(xiàn)跨階段協(xié)同。1.4.2 信息技術(shù)4.可視化與交互技術(shù)虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）：提供沉浸式操作界面（如Unity、UnrealEngine）。實(shí)時(shí)渲染技術(shù)：動(dòng)態(tài)生成高保真可視化效果（如NVIDIAOmniverse）。人機(jī)交互（HCI）：通過(guò)自然語(yǔ)言、手勢(shì)等增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。5.計(jì)算與平臺(tái)技術(shù)云計(jì)算與分布式系統(tǒng)：提供彈性計(jì)算資源（如AWS、Azure）。高性能計(jì)算（HPC）：處理復(fù)雜仿真與優(yōu)化問(wèn)題（如量子計(jì)算支持）。6.安全與可信技術(shù)數(shù)據(jù)安全：加密傳輸、隱私保護(hù)（如區(qū)塊鏈技術(shù)）。網(wǎng)絡(luò)安全：防御網(wǎng)絡(luò)攻擊（如零信任架構(gòu)）。模型安全：防止虛擬模型被篡改或?yàn)E用。7.標(biāo)準(zhǔn)化與互操作性開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)與協(xié)議：如ISO23247（數(shù)字孿生制造標(biāo)準(zhǔn)）、OPCUA（工業(yè)通信）。系統(tǒng)集成中間件：實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)數(shù)據(jù)互通（如API網(wǎng)關(guān)、ETL工具）。8.應(yīng)用場(chǎng)景相關(guān)技術(shù)智慧城市：結(jié)合GIS（地理信息系統(tǒng)）、交通仿真、能源管理。醫(yī)療健康：生物傳感器、個(gè)性化醫(yī)療模型。智能制造：工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)化控制系統(tǒng)（如PLC、SCADA）。以上技術(shù)是數(shù)字孿生重要使能技術(shù)，但在發(fā)展過(guò)程中還存在諸多問(wèn)題，如：動(dòng)態(tài)模型校準(zhǔn)即實(shí)時(shí)更新模型以匹配物理實(shí)體變化；跨領(lǐng)域融合如AIoT（AI+IoT）、數(shù)字孿生與元宇宙結(jié)合；倫理與合規(guī)問(wèn)題如數(shù)據(jù)所有權(quán)、模型透明度等問(wèn)題?；谀Ｐ秃蛿?shù)據(jù)融合，數(shù)字生所體現(xiàn)出的監(jiān)控、仿真、預(yù)測(cè)、優(yōu)化和控制等功能，與當(dāng)前各行業(yè)所強(qiáng)調(diào)的數(shù)字化、智能化發(fā)展需求密切相關(guān)?；趧?dòng)態(tài)的模型和豐富多源的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，數(shù)字孿生在設(shè)計(jì)仿真優(yōu)化、運(yùn)行監(jiān)控、預(yù)測(cè)性維護(hù)、供應(yīng)鏈優(yōu)化等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。數(shù)字孿生已被應(yīng)用于了工業(yè)生產(chǎn)、智慧城市、孿生醫(yī)療、航空航天、交通等多個(gè)領(lǐng)域。2020年，中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院聯(lián)合多家單位出版了《數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書(shū)》。書(shū)中列舉了智能制造、智慧城市、智慧交通、智慧能源、智慧建筑、智慧健康等六個(gè)數(shù)字孿生應(yīng)用領(lǐng)域。數(shù)字孿生典型應(yīng)用場(chǎng)景如圖1-13所示。1.5 數(shù)字孿生應(yīng)用場(chǎng)景圖-13數(shù)字孿生典型應(yīng)用場(chǎng)景1. 數(shù)字孿生制造制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體產(chǎn)業(yè)，也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要推進(jìn)力。制造行業(yè)的數(shù)字孿生應(yīng)用可以分成產(chǎn)品數(shù)字孿生和生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生。產(chǎn)品數(shù)字孿生的應(yīng)用覆蓋產(chǎn)品全生命周期，表現(xiàn)在以下幾方面：（1） 仿真映射：仿真可對(duì)產(chǎn)品的可制造性進(jìn)行分析，提升產(chǎn)品工藝有效性，縮短上市時(shí)間。（2） 監(jiān)控操縱：通過(guò)數(shù)字孿生虛實(shí)映射，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品有效監(jiān)控和