在產品的設計階段，利用數字孿生可以提高設計的準確性，并驗證產品在真實環境中的性能。其功能主要涵括如下: 

建模：使用CAD工具開發出滿足技術規格的產品虛擬原型，精確的記錄產品的各種物理參數，以可視化的方式展示出來，并通過一系列的驗證手段來檢驗設計的精準程度；

模擬和仿真：通過一系列可重復、可變參數、可加速的仿真實驗，來驗證產品在不同外部環境下的性能和表現，在設計階段就驗證產品的適應性。

例如，法國的飛機制造商達索公司利用用戶交互反饋的信息不斷改進信息世界中的產品設計模型，并反饋到物理實體產品當中，使得戰斗機降低浪費25%，質量改進提升 15%。其主要的數字孿生應用方式是推動社交協作，三維建模、虛擬仿真、智能信息處理，實時體驗。該系統及其衍生系統至今仍活躍運用于工業設備、汽車、航天、船舶等制造行業的數字化建設中。

2.1 快速原型設計驅動創新

數字孿生通過設計工具、仿真工具、物聯網、虛擬現實等各種數字化的手段，將物理設備的各種屬性映射到虛擬空間中，形成可拆解、可復制、可轉移、可修改、可刪除、可重復操作的數字鏡像，這極大地加速了操作人員對物理實體的了解，可以讓很多原來由于物理條件限制、必須依賴于真實的物理實體而無法完成的操作，如模擬仿真、批量復制、虛擬裝配等，成為觸手可及的工具，更能激發人們去探索新的途徑來優化設計、制造和服務。

2.2 全面的分析和預測能力

在一個產品的設計階段，很難對隱藏在表象下的問題提前進行預判。而數字孿生可以結合物聯網的數據采集、大數據的處理和人工智能的建模分析，實現對當前狀態的評估、對過去發生問題的診斷，以及對未來趨勢的預測，并給予分析的結果，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持。

2.3 經驗的數字化

在傳統的工業設計領域，經驗往往是一種模糊而很難把握的形態，很難將其作為精準判決的依據。而數字孿生的一大關鍵進步，是可以通過數字化的手段，將原先無法保存的專家經驗進行數字化，并提供了保存、復制、修改和轉移的能力。

3.1 以滿足用戶需求為導向的數字孿生體平臺

未來在制造業環境下的數字孿生體的用戶將不止局限于工業企業中的產品研發人員。從其生命周期來看，最初段的需求設計人員可以使用數字孿生體研發平臺借助數據資產功能調研產品需求，產品設計人員可通過數字孿生體平臺對產品的外形以及性能做初步的整理和數據配置，經由產品設計人員設計好的產品數字孿生體可通過數字主線流向產品研發人員進一步進行材料研發、結構強度優化、驅動管理等更詳細的工作。當在研發階段或者產品設計階段出現與上一階段不匹配或不滿足需求的情況時，數字主線也可以同步反饋當前狀態給上游節點，形成研發閉環。

可以說，未來的環境下，在產品設計階段、需求、定型、研發將會形成多位一體的平臺化工作模式，打通正向和反向兩者的壁壘，從而加速產品研制過程，為制造業的數字化和智能化產生進一步的推動作用。

3.2 以設計為基礎的數字孿生體應用典型場景

在設計階段，我們經常面臨多方面的應用需求。以某一汽車產品的設計舉例，我們經常要考慮一個場景，就是如何去設計成本-性能-安全性的三角。根據規則，降低成本有利于增加利潤和市場占有率，但性能和安全性將同時降低，不利于品牌的維護。那么提高性能又面臨增加研發投入，降低汽車穩定性的嚴峻考驗。其實在這種情況下，數字孿生體就可以為我們提供一套設計和調整這個三角形的快速解決方案：

在設計階段初期，從數字孿生體生命體模型的角度來說，數字孿生體只有原始的基因數據，比如需求書，和規劃書等文件。基于需求中描述的車輛性能指標需求和外形需求，設計人員可以摘錄其中的性能指標和外形參數進入數字孿生體平臺，以此孕育數字孿生體的雛形。

數字孿生體的雛形通過平臺集成的可視化建模插件的方式進行呈現，它的具象化程度，完全依賴于基因數據的完整性。當基因數據越全面越完整，數字孿生體雛形的呈現將會越詳細。數字孿生體雛形是一個孿生體的初級形態，僅包含最基礎的基因數據，我們需要在培育數字孿生體的過程中，依據產品的功能，對數字孿生體進行一定程度上的功能完善，比如用于車輛性能仿真的數字孿生體、用于車身結構碰撞的數字孿生體、用于物態實體和數態數字孿生體互控的數字孿生體等等。

當然僅僅對數字孿生體的呈現，并不能滿足解決方案的需求，我們要平衡成本和性能，就必須先了解成本和性能。比如，數字孿生體平臺提供了仿真接口，通過加載數字孿生體雛形的外形數據，可以很方便的創建產品三維仿真模型，只需要再加載上所需的環境，即可實現產品的性能仿真，以此調節產品的性能和成本曲線。

當然，在虛擬環境下的數字孿生體仿真僅僅是一種設計人員快速掌握和優化產品性能的手段，物理實體的性能表現才是最直接的產品需求體現。其實，數字孿生體的誕生并不完全依賴于物理實體的存在，在一定程度上來說，物理實體和數字孿生體就像一對雙胞胎，誰先誕生并無因果關系。所以在對數字孿生體進行設計優化后，就可以使用平臺孕育和測控物理實體的能力進一步完善和驗證產品：

1. 通過平臺孕育物理實體，比如，平臺可以通過增材制造功能插件，3D打印出數字孿生體的物理實體。當然，如果配套設施完善，數字孿生體平臺也可以支持傳統的工業技術鑄造實體。

2. 測控物理實體，其能力依賴于平臺IoT功能插件，通過傳感器技術和相關的通信技術，可以搭建起一條實體與數字的通道。從而驗證經過數字孿生體優化的產品實體，其設計是否最終符合預期。

孫昊，電子自動化專業，就職于安世亞太科技股份有限公司，現任仿真業務部工程師。