生產(chǎn)制造階段是數(shù)字孿生技術(shù)的一個關(guān)鍵應(yīng)用環(huán)境?，F(xiàn)階段個性化、多元化的市場消費觀念成為了主流，制造行業(yè)正面對日趨猛烈的市場競爭，面對著不可估量的時間、成本、質(zhì)量、產(chǎn)品差異化等多方面的壓力。企業(yè)很難適應(yīng)市場環(huán)境的突然變化，例如受此次受疫情的影響，如何運用技術(shù)手段迅速實現(xiàn)復工復產(chǎn)，是每一個制造企業(yè)都要面對的問題。
除此之外，企業(yè)還面對著許多 棘手的問題需要徹底解決，例如新產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)周期太長，難以實現(xiàn)從“以產(chǎn)定銷”到“按需生產(chǎn)”模式的轉(zhuǎn)變；企業(yè)投進大量的人力物力財力進行產(chǎn)品創(chuàng)新，卻難以精確評估新的產(chǎn)品能否可以在現(xiàn)有的制造條件下進行生產(chǎn)，因為新設(shè)計的產(chǎn)品必定需要新的工藝、新的工裝甚至于新的設(shè)備、新的生產(chǎn)線，如果在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計之初不認真評估新的產(chǎn)品的可制造性，則必定帶來不可估量的隱患。
而構(gòu)建基于數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)字化工廠是徹底解決這些問題的最好途徑，通過依托于產(chǎn)品整個周期的真實有關(guān)數(shù)據(jù)，在虛擬環(huán)境中對生產(chǎn)全流程進行仿真、優(yōu)化及重新構(gòu)建。通過構(gòu)建虛擬模型來模擬生產(chǎn)流程，并且這些虛擬模型可以為物理工廠車間里所有連接的機器、工具和設(shè)備進行數(shù)字操作。這就可以使企業(yè)能夠迅速配置生產(chǎn)系統(tǒng)，以最大限度地提高效率，提升資產(chǎn)利用率，避免停機，具有一定的靈活性。
一、數(shù)字孿生觀念的發(fā)展歷史
密歇根大學的邁克爾·格里夫斯教授在2003年提出了“物理產(chǎn)品的數(shù)字表達”的觀念，并強調(diào)物理產(chǎn)品的數(shù)字表達應(yīng)能夠抽象的表現(xiàn)物理產(chǎn)品，能夠基于數(shù)字表達對物理產(chǎn)品進行真實條件或模擬條件下的測試。這個觀念盡管沒有被稱作數(shù)字孿生，但是它具有數(shù)字孿生所具有的組成和功能，即構(gòu)建物理實體的等價虛擬體，虛擬體能夠?qū)ξ锢韺嶓w進行仿真分析和測試。邁克爾·格里夫斯教授提出的理論，可以被看成是數(shù)字孿生在產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)中的運用。
在那之后，數(shù)字孿生的觀念逐漸拓展到了模擬仿真、虛擬裝配和3D打印這些領(lǐng)域，而到了2014年之后，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，更多的工業(yè)產(chǎn)品、工業(yè)設(shè)備具有了智能化的特征，而數(shù)字孿生也逐漸拓展到了包含制造和服務(wù)在內(nèi)的完整的產(chǎn)品周期階段，并不斷完善著數(shù)字孿生的形態(tài)和觀念。
二、數(shù)字孿生觀念的不同形態(tài)
數(shù)字孿生技術(shù)貫穿了產(chǎn)品全生命周期中的不同環(huán)節(jié)，它同PLM的理念是不謀而合的?？梢哉f，數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展將PLM的能力和理念從設(shè)計階段拓展到了全生命周期。數(shù)字孿生以產(chǎn)品為主線，并在全生命周期的不同環(huán)節(jié)引進不同的要素，形成了不同環(huán)節(jié)的表現(xiàn)形態(tài)。
1、設(shè)計階段的數(shù)字孿生
在產(chǎn)品的設(shè)計階段，運用數(shù)字孿生可以提升 設(shè)計的準確性，并檢驗產(chǎn)品在真實環(huán)境中的性能。這個環(huán)節(jié)的數(shù)字孿生，主要涉及到以下功能：
1）數(shù)字模型設(shè)計：運用CAD工具開發(fā)出符合技術(shù)規(guī)格的產(chǎn)品虛擬原型，精確的記錄產(chǎn)品的各類物理參數(shù)，以可視化的形式呈現(xiàn)出來，并通過一系列的檢驗方式來檢驗設(shè)計的精確程度；
2）仿真模擬和仿真：通過一系列可重復、可變參數(shù)、可加快的仿真實驗，來檢驗產(chǎn)品在不同外部環(huán)境因素下的性能和表現(xiàn)，在設(shè)計階段就檢驗產(chǎn)品的適應(yīng)能力。
2、制造環(huán)節(jié)的數(shù)字孿生
在產(chǎn)品的制造環(huán)節(jié)，運用數(shù)字孿生可以加快產(chǎn)品導入的時間，提升 產(chǎn)品設(shè)計的品質(zhì)、降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和提升 產(chǎn)品的交付速度。產(chǎn)品環(huán)節(jié)的數(shù)字孿生是一個高度協(xié)同的過程，通過數(shù)字化方式搭建起來的虛擬生產(chǎn)線，將產(chǎn)品自身的數(shù)字孿生同生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)流程等其它形態(tài)的數(shù)字孿生高度集成起來，實現(xiàn)以下的功能：
1）生產(chǎn)流程仿真：在產(chǎn)品生產(chǎn)之前，就可以通過虛擬生產(chǎn)的形式來仿真模擬在不同產(chǎn)品、不同參數(shù)、不同外部條件下的生產(chǎn)流程，實現(xiàn)對產(chǎn)能、效率及其可能出現(xiàn)的生產(chǎn)瓶頸等問題的提前預測，加快新產(chǎn)品導入的過程；
2）數(shù)字化產(chǎn)線：將生產(chǎn)環(huán)節(jié)的各類要素，如原材料、設(shè)備、工藝配方和工序要求，通過數(shù)字化的方式集成在一個緊密協(xié)作的生產(chǎn)流程中，并根據(jù)既定的規(guī)則，自動的完成在不同條件組合下的操作，實現(xiàn)自動化的生產(chǎn)流程；同時記錄生產(chǎn)流程中的各類數(shù)據(jù)，為之后的分析和優(yōu)化提供重要依據(jù)。
3、服務(wù)環(huán)節(jié)的數(shù)字孿生
伴隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的完善和傳感器成本的下降，許多工業(yè)產(chǎn)品，從大型裝備到消費級產(chǎn)品，都運用了大量的傳感器來收集產(chǎn)品運行環(huán)節(jié)的環(huán)境和工作狀態(tài)，并通過數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化來規(guī)避產(chǎn)品的故障，改善用戶對產(chǎn)品的運用體驗。這個環(huán)節(jié)的數(shù)字孿生，可以實現(xiàn)以下的功能：
1）優(yōu)化客戶的生產(chǎn)指標：對于許多需要依賴于工業(yè)裝備來實現(xiàn)生產(chǎn)的工業(yè)客戶，工業(yè)裝備參數(shù)設(shè)置的合理性及其在不同生產(chǎn)條件下的適應(yīng)能力，通常決定了客戶產(chǎn)品的品質(zhì)和交付周期。而工業(yè)裝備廠商可以通過大量收集的數(shù)據(jù)，搭建起針對不同應(yīng)用場景、不同生產(chǎn)流程的經(jīng)驗模型，協(xié)助其客戶優(yōu)化參數(shù)配置，以改善客戶的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。
2）產(chǎn)品使用反饋：通過收集智能化工業(yè)產(chǎn)品的實時運作數(shù)據(jù)，工業(yè)產(chǎn)品制造商可以洞察用戶對產(chǎn)品的真實需求，不僅可以協(xié)助用戶加快對新產(chǎn)品的導入周期、協(xié)助產(chǎn)品錯誤使用造成 的故障、提升產(chǎn)品參數(shù)配置的精確性，更可以精確的把握用戶的需求，協(xié)助研發(fā)決策失誤。
三、數(shù)字孿生的意義
1、更便捷，更適合創(chuàng)新
數(shù)字孿生通過設(shè)計工具、仿真工具、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實等各種數(shù)字化的技術(shù)手段，將物理設(shè)備的各種屬性映射到虛擬空間中，生成可拆解、可復制、可轉(zhuǎn)移、可修改、可刪除、可重復操作的數(shù)字鏡像，這極大地加快了操作人員對物理實體的掌握，可以讓許多原先基于物理條件限制、必須依賴真實的物理實體而難以完成的操作，如模擬仿真、批量復制、虛擬裝配等，成為觸手可及的工具，更能激發(fā)人們?nèi)ヌ綄ば碌耐緩絹韮?yōu)化設(shè)計、制造和服務(wù)。
2、更全面的分析和預測能力
目前的產(chǎn)品生命周期管理，極少可以實現(xiàn)精確的預測，因此通常難以對隱藏在表象下的問題提前進行預判。而數(shù)字孿生可以結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)收集、大數(shù)據(jù)的處理和人工智能的建模分析，實現(xiàn)對當下狀態(tài)的評估、對以往發(fā)生問題的診斷，及其對未來發(fā)展趨勢的預測，并給予分析的結(jié)果，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持。
3、經(jīng)驗的數(shù)字化
在傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計、制造和服務(wù)領(lǐng)域，經(jīng)驗通常是一種模糊而難以把握的狀態(tài)，難以將其作為精確判決的依據(jù)。而數(shù)字孿生的一大關(guān)鍵性進步，是可以通過數(shù)字化的技術(shù)手段，將原先無法保存的專家經(jīng)驗進行數(shù)字化，并提供了保存、復制、修改和轉(zhuǎn)移的能力。比如說，針對大型設(shè)備運作過程中出現(xiàn)的各種故障特征，可以將傳感器的歷史數(shù)據(jù)通過機器學習訓練出針對不同故障現(xiàn)象的數(shù)字化特征模型，并結(jié)合專家處理的記錄，將其生成未來對設(shè)備故障狀態(tài)進行精確判決的依據(jù)，并可針對不同的形態(tài)的故障進行特征庫的豐富和更新，最終生成自治化的智能化診斷和判決。