數字孿生的案例
六級數字孿生成熟度模型：您的數字孿生成熟了嗎？
數字孿生當前還處于應用的初級階段，期望本文相關工作能為進一步認識數字孿生，開展數字孿生學術研究和交流，推廣落地應用提供一些參考。
02
文章主要工作
1、數字孿生成熟度評價需求分析
數字孿生作為實現信息物理融合的有效手段，受到國內外學術界、政府部門和相關領域人士的廣泛關注與高度重視。近年來，作者團隊圍繞數字孿生五維模型、數字孿生模型構建理論、數字孿生多尺度建模方法、數字孿生模型評價指標體系、數字孿生數據、數字孿生服務、數字孿生標準體系、數字孿生使能技術與工具等開展了探索性理論研究工作, 并聚焦數字孿生車間、數字孿生裝備、數字孿生衛星等開展了一系列應用實踐工作。然而，在與國內外學者、政府部門和相關領域企業交流探討的過程中，發現存在以下共性疑問和困惑：
（1）如何判斷是不是數字孿生？
（2）如何評判現有數字孿生能否滿足應用需求？
（3）若不滿足應用需求如何優化提升？
上述問題可歸結為缺少針對數字孿生范疇和發展階段的系統性描述和評價方法，而成熟度模型是對目標系統的概念范疇、發展過程和階段性目標的系統性描述，同時，它還具有評價目標系統現階段發展水平和能力程度的功能。因此，本文從落地應用的角度出發，研究提出了一套數字孿生成熟度模型，并設計了一套數字孿生成熟度評價應用流程。
2、數字孿生成熟度等級
統計分析現有數字孿生相關理論研究和應用實踐，依據其功能和用途主要可分為以下幾類：①基于數字孿生的物理實體設計驗證與等效分析；②基于數字孿生的物理實體運行過程可視化監測；③基于數字孿生的物理實體遠程運維管控；④基于數字孿生的診斷與預測；⑤基于數字孿生的智能決策和優化；⑥基于數字孿生的物理實體全生命周期跟蹤、回溯與管理。
展開 連桿結構數字孿生體實現之數字孿生體模型部署
致力于數字孿生體技術的研究與發展
通過解決方案和工程化應用造福人類
數字孿生體是現有或將有的物理實體對象的數字模型，通過實測、仿真和數據分析來實時感知、診斷、預測物理實體對象的狀態，通過優化和指令來調控物理實體對象的行為，通過相關數字模型間的相互學習來進化自身，同時改進利益相關方在物理實體對象生命周期內的決策。
通過數字孿生體模型，可以實現全面監控系統的關鍵參數，分析系統在非常規條件下的各種性能，如惡劣工作環境、存在加工誤差、沖擊載荷工況等。利用數字孿生體模型進行虛擬化測試，縮短了測試和分析的時間，降低了測試和分析的成本，并可以根據虛擬化測試結果優化試驗參數。因此建立機械產品關鍵零部件（如連桿）的數字孿生體模型，就具有十分重要的意義。
圖1為實現連桿數字孿生體模型的技術路線，主要分為載荷識別、模型降階和數字孿生體模型部署三部分。本文主要介紹了利用ANSYS Twin Builder和ANSYS Deployer軟件建立連桿數字孿生體模型并部署。在ANSYS Twin Builder中，集成了連桿載荷識別ROM和應力/變形場的Static ROM兩個降階模型，運行調試后編譯生成twin模型，并輸出twin文件。在ANSYS Deployer中，建立連桿數字孿生體模型并編譯輸出的twin文件和輸入應變csv文件，生成用于實時計算的可執行SDK文件夾。
展開 細說數字孿生：企業數字化未來之門
2010年,美國國家航空航天局（NASA）在《建模、仿真、信息技術和處理》和《材料、結構、機械系統和制造》兩份技術路線圖中開始直接使用“數字孿生(Digital Twin)”這一名稱。
近年來，學術和企業界對數字孿生的研究熱度不減，愈發深入，國際標準ISO23247（待發布）對數字孿生制造進行明確定義，界定了生產場景下的數字孿生。
縱觀數字孿生的發展歷程，伴隨著相關技術的迭代，數字孿生的內涵也不斷豐富：從簡單的對一個產品、一臺設備、一條生產線等的數字孿生演進到更為復雜的對一個企業組織、一座城市的數字孿生，英國和德國甚至提出“數字國家”這種更為宏觀的概念。
目前，學界和工業界對數字孿生概念的表述雖有差異，但正趨于達成共識：
數字孿生是以特定目的為導向對物理世界現實對象的數字化表達。這一對象不僅包括產品、設備、建筑物等“實物”，也包括企業組織、城市等“實體”。通過對物理對象構建數字孿生模型，實現物理對象和數字孿生模型的雙向映射。
展開 數字孿生體的多態
，最后形成員工的綜合性特征，建立員工的數理化模型，在數字孿生體設計開發中，又逐步衍生泛化出崗位A數字孿生體、崗位B數字孿生體、……，有可能進一步泛化到人員A數字孿生體、人員B數字孿生體、……，并在制造過程數字孿生體中進行實例化的應用，如下圖所示：
圖 4 數字孿生體的抽象與泛化
對于一個企業的制造過程數字孿生體來講，人員數字孿生體如此，工具、材料、設備、產品、流程無不如此，在制造過程數字孿生體中，總是存在若干個代表不同真實物理實體，經過賦予個性化特征，又源于同一機理模型和父類數字孿生體的數字孿生體。
整個制造過程的數字孿生體構成一個龐大的數字孿生體群，加之代表在各子數字孿生體形成系統過程所涌現的新特征的數字孿生體，形成完整的制造過程的數字孿生體。對于上級的數字孿生體，可以認為下層的數字孿生體對上層的提供一種服務，即數字孿生體即服務（DT as a Service）。
3.數字孿生體系統的組織構型
對于像制造過程數字孿生體這樣的復雜系統數字孿生體來講，其中各組成部分的子數據孿生體，既要與真實物理實體相對應，形成數字孿生對，又與其它數字孿生體相互作用，形成一個群落，借用美國國防部建模與仿真辦公室的仿真系統名詞，可以叫“聯邦”，如下圖所示。
展開 
數字孿生本質及落地
作者：朱鐸先 | 來源：蘭光創新
毋庸置疑，數字孿生是當今智能制造領域最熱的話題之一，Gartner自2016年連續三年將數字孿生列為十大戰略科技發展趨勢。近期埃森哲對全球6,200多位業務和信息技術高層管理者進行了調查，其中包括250名中國企業高管，有88%中國高管預計所在企業未來三年內將加大數字孿生領域的投資力度。數字孿生已經成為眾多企業數字化轉型的重要抓手。
但在這個過程中，有些企業過于追求外在“形似”，甚至做成了3D動畫的形式，筆者認為，這種做法只是關注了數字孿生的表象和形式，忽視了其內涵與本質，沒有充分體現出數字孿生應有的價值。
一，映射是表象，內涵是仿真
彭慧研究員曾發表了《數字孿生的前世今生》一文，作者認為是誰最早提出數字孿生概念存在爭議，有些人認為是密歇根大學 Michael Grieves教授2002年提出，也有些人認為是NASA（美國宇航局）最先提出。本文對此不做定論，但這兩個流派對數字孿生的認知很有代表性。‘’
1，Grieves教授強調了映射
2002年，Michael Grieves教授首次提出了PLM以及現實空間、虛擬空間等概念，該概念模型具備了數字孿生的基本要素，Michael Grieves在后來的著作中稱之為信息鏡像模型（Mirrored Spaces Model），并在2011年的書中引入了術語“數字孿生”。
展開 十問“數字孿生”（二）
結合云計算技術，復雜的孿生數據可被傳送到云端進行進一步的處理，從而實現了針對不同需求的云-邊數據協同處理，進而提高數據處理效率、減少云端數據負荷、降低數據傳輸時延，為數字孿生的實時性提供保障。
（4）數字孿生與云計算 數字孿生的規模彈性很大，單元級數字孿生可能在本地服務器即可滿足計算與運行需求，而系統級和復雜系統級數字孿生則需要更大的計算與存儲能力。云計算按需使用與分布式共享的模式可使數字孿生使用龐大的云計算資源與數據中心，從而動態地滿足數字孿生的不同計算、存儲與運行需求。
（5）數字孿生與 5G 虛擬模型的精準映射與物理實體的快速反饋控制是實現數字孿生的關鍵。虛擬模型的精準程度、物理實體的快速反饋控制能力、海量物理設備的互聯對數字孿生的數據傳輸容量、傳輸速率、傳輸響應時間提出了更高的要求。5G 通信技術具有高速率、大容量、低時延、高可靠的特點，能夠契合數字孿生的數據傳輸要求，滿足虛擬模型與物理實體的海量數據低延遲傳輸、大量設備的互通互聯，從而更好的推進數字孿生的應用落地。
（6）數字孿生與大數據 數字孿生中的孿生數據集成了物理感知數據、模型生成數據、虛實融合數據等高速產生的多來源、多種類、多結構的全要素/全業務/全流程的海量數據。大數據能夠從數字孿生高速產生的海量數據中提取更多有價值的信息，以解釋和預測現實事件的結果和過程。
（7）數字孿生與區塊鏈 區塊鏈可對數字孿生的安全性提供可靠保證，可確保孿生數據不可篡改、全程留痕、可跟蹤、可追溯等。獨立性、不可變和安全性的區塊鏈技術，可防止數字孿生被篡改而出現錯誤和偏差，以保持數字孿生的安全，從而鼓勵更好的創新。此外，通過區塊鏈建立起的信任機制可以確保服務交易的安全，從而讓用戶安心使用數字孿生提供的各種服務。
展開 數字孿生成熟度模型
上述問題可歸結為缺少針對數字孿生范疇和發展階段的系統性描述和評價方法，而成熟度模型是對目標系統的概念范疇、發展過程和階段性目標的系統性描述，同時，它還具有評價目標系統現階段發展水平和能力程度的功能。因此，本文從落地應用的角度出發，研究提出了一套數字孿生成熟度模型，并設計了一套數字孿生成熟度評價應用流程。
2、數字孿生成熟度等級
統計分析現有數字孿生相關理論研究和應用實踐，依據其功能和用途主要可分為以下幾類：①基于數字孿生的物理實體設計驗證與等效分析；②基于數字孿生的物理實體運行過程可視化監測；③基于數字孿生的物理實體遠程運維管控；④基于數字孿生的診斷與預測；⑤基于數字孿生的智能決策和優化；⑥基于數字孿生的物理實體全生命周期跟蹤、回溯與管理。通過對上述各類數字孿生研究和應用進行共性分析發現，物理實體、數字孿生模型和兩者間的連接與交互組成了數字孿生的“最小概念”。在此基礎上，基于作者團隊前期提出的數字孿生五維模型，從物理實體（PE）、數字孿生模型（DM）、數字孿生數據（DD）、連接交互（CI）和功能服務（FS）五個維度出發，根據連接交互方式與自動化程度的不同，以數字孿生所能提供的功能服務為主線，將數字孿生分為六個成熟度等級，如圖1所示。其中，物理空間中的物理實體與信息空間中的數字孿生模型通過兩者間的連接進行交互，數字孿生數據則蘊含數字孿生的所有信息，貫穿當前-未來、物理空間-信息空間、物理實體-數字孿生模型-連接交互-功能服務。
展開 元宇宙、數字孿生與汽車
圖2：汽車的數字孿生概念圖
那么大家可能會問，這不就是CAD或者仿真技術嗎？實際上，數字孿生和它們有關系，但卻是它們的進化升華版。數字孿生之于傳統CAD和仿真技術，就像傳統CAD和仿真技術之于手繪圖紙。也許將英偉達黃教主的頭“移花接木”到另一圖片上PS一下，你會不以為然；但當GPU渲染出一個有表情、有動作、能說話的Jensen來開個發布會，大家都贊嘆不已。
數字孿生中的數字雙胞胎具備多物理量的虛擬映射，并能覆蓋產品的全生命周期。說人話就是，數字孿生更加“有血有肉”，也能隨時間“成長”。實體設備上傳感器采集的信息會回傳同步到數字孿生上，以支撐更多維度的分析跟蹤，甚至預測實體設備的狀態。
接下來我們在產品生命周期的維度上，看一下數字孿生在汽車研發、制造和運營上的應用。
汽車研發的數字孿生
通過數字孿生技術，我們可以打破固有的新車型設計導入的傳統，快速設計一個數字孿生，并在各種應用場景下對這個虛擬數字孿生進行測試。這相當于將常用于軟件的敏捷開發推廣到整個汽車研發。
當然這樣炫酷的數字孿生，得益于飛速發展的高性能計算芯片、大數據和大存儲、快速三維成型、云計算和人工智能等技術。在傳統的CAD上，我們已經可以在設計階段將車上的所有零部件組裝在一起，檢查干涉和設計避讓，然后作空氣動力學仿真和模態分析等。數字孿生技術在這基礎上更進一層，具有外觀光學、機械動力、硬件電路和軟件算法等特征，供各個部門共同打造。同時數字孿生除了產品本體的虛擬映射外，還能提供虛擬的多維度的測試環境，以便設計人員更快速準確地做出各種設計決策。
展開 十問“數字孿生”（一）
導讀
本文對以下十個問題進行了深入分析與思考，以期拋磚引玉，為研究者更好理解數字孿生，為決策者理性和正確對待數字孿生，為實踐者更好落地應用數字孿生提供參考。
① 何為數字孿生？
② 誰在關注數字孿生？
③ 數字孿生：中、美、德，誰更熱？
④ 數字孿生與智能制造的關系是什么？
⑤ 數字孿生能否與新一代信息技術（New IT）融合？
⑥ 數字孿生是否存在科學問題？
⑦ 數字孿生何用？
⑧ 數字孿生適用準則是什么？
⑨ 數字孿生是否需要標準？
⑩ 數字孿生是否需要商業化工具/平臺？
01、何為數字孿生？
當前越來越多的學者和企業關注數字孿生并開展研究與實踐，但從不同的角度出發，對數字孿生的理解存在著不同的認識。本節從不同維度出發，對數字孿生的當前認識進行總結與分析后，嘗試對數字孿生的理想特征進行探討，以供參考。
展開 什么是數字孿生？有哪些關鍵能力？
西門子工業軟件在2016年開始嘗試利用數字孿生體來完善工業4.0應用，到2017年底，西門子工業軟件正式發布了完整的數字孿生體應用模型，成為第一個數字孿生倡導者和實踐者（圖1-18）。
▲圖1-18 西門子工業軟件——數字孿生的倡導者和實踐者
數字孿生技術是將帶有三維數字模型的信息拓展到整個生命周期中的數字鏡像技術，
最終實現虛擬與物理世界同步和一致。它不是讓虛擬世界做現在我們已經做到的事情，而是發現潛在問題、激發創新思維、不斷追求優化進步—這才是數字孿生的目標所在。
數字孿生技術幫助企業在實際投入生產之前即能
在虛擬環境中優化、仿真和測試，在生產過程中也可同步優化整個企業流程，最終實現高效的柔性生產，快速創新及上市，鍛造企業持久競爭力。
數字孿生技術是制造企業邁向工業4.0戰略目標的關鍵技術，通過掌握產品信息及其生命周期過程的數字思路將所有階段（產品創意、設計、制造規劃、生產和使用）銜接起來，并連接到可以理解這些信息并對其做出反應的生產智能設備。
數字孿生將各專業技術集成為一個數據模型，并將PLM（產品生命周期管理）、MOM（生產運營系統）和TIA（全集成自動化）集成在統一的數據平臺下，也可以根據需要將供應商納入平臺，實現價值鏈數據的整合，業務領域包括
“產品數字孿生”“生產數字孿生”和
“運營數字孿生”。
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。這個階段的數字孿生的關鍵能力包含：
數字模型設計。
展開 十問“數字孿生”（三）
7、數字孿生何用？
數字孿生以數字化的形式在虛擬空間中構建了與物理世界一致的高保真模型，通過與物理世界間不間斷的閉環信息交互反饋與數據融合，能夠模擬對象在物理世界中的行為，監控物理世界的變化，反映物理世界的運行狀況，評估物理世界的狀態，診斷發生的問題，預測未來趨勢，乃至優化和改變物理世界。
數字孿生能夠突破許多物理條件的限制，通過數據和模型雙驅動的仿真、預測、監控、優化和控制，實現服務的持續創新、需求的即時響應和產業的升級優化。基于模型、數據和服務等各方面的優勢，數字孿生正在成為提高質量、增加效率、降低成本、減少損失、保障安全、節能減排的關鍵技術，同時數字孿生應用場景正逐步延伸拓展到更多和更寬廣的領域。數字孿生具體功能、應用場景及作用如表2所示。
表2 數字孿生功能與作用
8、數字孿生適用準則是什么？
企業在應用數字孿生前，面臨的首要決策問題是本企業是否需要用數字孿生？是否適用數字孿生？是否值得使用數字孿生？事實上，數字孿生并非適用于所有對象和企業。為輔助企業根據自身情況做出正確決策，本節嘗試從產品類型、復雜程度、運行環境、性能、經濟與社會效益等不同維度總結數字孿生適用準則，如表3所示，以供參考。
表3 數字孿生適用準則
9、數字孿生需要標準？
數字孿生在落地應用過程中缺乏標準的指導與參考。
展開 
數字孿生技術在沖壓車間的應用探究
數字孿生系統經過與實體層的有機結合，實現對生產加工、過程裝配、產品運輸和物料倉儲等具體生產活動與數字孿生系統的聯動。
數據層
數據層是數字孿生系統的核心，主要由車間數據和數字模型構成。
車間數據主要通過對沖壓車間大范圍、深層次、多種類的海量數據進行采集，以及對異構數據的協議轉換與邊緣計算處理數據而獲得，并對數據進行匯集，形成數字孿生系統的數據庫。
數字模型是對沖壓車間建筑和設備進行真實的三維建模，是對車間實體幾何物理特征的真實寫照。以物理實際為藍本，將各模型進行刻畫，以還原車間的真實狀況。
數字孿生系統通過對車間數據和數字模型進行有機結合，搭建虛擬的數字空間。
應用層
應用層是數字孿生系統的窗口，主要面向用戶進行信息交互，實現虛擬與現實的信息傳遞。通過數字孿生系統使虛擬數字空間與現實生產車間進行實時聯動，實現了多角度的三維實時監控，同時利用虛實交互過程中的大量數據用以實現生產制造過程優化和決策。
數字孿生既可以完成車間現場的數字化重建，使虛擬的數字空間聯動現實生產車間的生產活動，也可以實現車間生產活動在數字空間內的虛擬再現，并支持進行管理分析、優化及決策等功能。
數字孿生系統關鍵要素
通過以上架構搭建的沖壓車間數字孿生系統，可以重構沖壓車間的生產活動。沖壓車間數字孿生系統是通過多技術交叉融合而實現的，其中數據采集、模型構建和生產過程的實時聯動是整個系統的關鍵。
展開 智能制造的核心技術之數字孿生（一）
數字孿生的概念 」
全球最具權威的IT研究與顧問咨詢公司Gartner在2019年十大戰略科技發展趨勢中將數字孿生作為重要技術之一，其對數字孿生的描述為：數字孿生是現實世界實體或系統的數字化體現。
圖1 數字孿生最初概念模型及其術語名詞的前身——PLM的概念化理想
關于數字孿生的定義很多。陶飛教授在自然雜志的評述中認為，數字孿生作為實現虛實之間雙向映射、動態交互、實時連接的關鍵途徑，可將物理實體和系統的屬性、結構、狀態、性能、功能和行為映射到虛擬世界，形成高保真的動態多維／多尺度／多物理量模型，為觀察物理世界、認識物理世界、理解物理世界、控制物理世界、改造物理世界提供了一種有效手段。
CIMdata推薦的定義是：“數字孿生：是基于物理實體的系統描述，可以實現對跨越整個系統生命周期可信來源的數據、模型和信息進行創建、管理和應用。”此定義簡單，但若沒有真正理解其中的關鍵詞（系統描述，生命周期，可信來源，模型），則可能產生誤解。
「 2. 數字孿生的模型 」
1）數字孿生的概念模型
基于數字孿生的文字定義，圖2給出數字孿生的五維概念模型。
圖2 數字孿生五維概念模型
數字孿生五維概念模型是一個通用的參考架構，能適用不同領域的不同應用對象。其次，它的五維結構能與物聯網、大數據、人工智能等新信息技術集成與融合，滿足信息物理系統集成、信息物理數據融合、虛實雙向連接與交互等需求。再次，孿生數據（DD）集成融合了信息數據與物理數據，滿足信息空間與物理空間的一致性與同步性需求，能提供更加準確、全面的全要素/全流程/全業務數據支持。
展開 數字孿生之操作系統、算法、仿真模擬解析
目錄
數字孿生之操作系統、算法、仿真模擬解析
（一）數字孿生系統介紹
1-1 數字孿生系統組成
1-2 數字孿生的三個核心要素
（二）數字孿生計算機操作系統
2-1 數字孿生對操作系統有什么要求
2-2 數字孿生系統的實時性、低延遲
2-3 支持數字孿生的操作系統
（三）建模和算法，及仿真軟件
3-1對物理實體建模的關鍵數據來源
3-2 數字孿生主要環節涉及的計算
3-3 數字孿生如何通過算法，創建模型
3-4 數值模擬的常用算法
3-5 建模與仿真軟件工具
3-6對數據過程分析或控制的軟件工具
3-7 數字孿生的仿真模擬計算，對時間要求
3-8 通過仿真模擬/建模，怎么去改變物理實體
3-9 如果仿真模擬計算量太大，怎么加速？
展開 干貨 | 聯合仿真在數字樣機建設中的應用與數字孿生介紹
在眾多新技術中，數字孿生作為一種極具發展潛力與應用價值的新技術，受到各方青睞。目前，各大公司與研究機構都基于自身技術特點開發出了自己的數字孿生解決方案，并涌現出大量數字孿生概念驗證項目。
ANSYS公司作為商業仿真軟件領域的領軍者，開發出了基于仿真的數字孿生解決方案。基于該方案的各類概念驗證項目，均顯示出了極大的商業價值與技術潛力，成為最高級數據分析手段之一。對數字孿生技術的應用，可為重資產運營企業帶來巨大的經濟效益，使其在第四次工業革命的大潮中站穩腳跟。
ANSYS的數字孿生解決方案，可實現基于ANSYS強大的仿真軟件建立產品數字樣機。在此基礎上，將數字樣機的仿真邊界條件與真實產品上安裝的傳感器數據連接，從而實現物理產品在虛擬世界中的映射，即：在真實產品的運行過程中，虛擬世界中同樣存在一個虛擬產品在以同樣的工作狀態運行。
本次研討會主要內容包括：
1、 介紹采用各類聯合仿真技術，建立產品數字樣機的方法
2、 介紹建立數字樣機的關鍵技術。
3、 介紹ANSYS數字孿生技術。
報名方式
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