生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)是數(shù)字孿生技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用場(chǎng)景。當(dāng)前個(gè)性化、多元化的市場(chǎng)消費(fèi)需求成為主流，制造業(yè)正面對(duì)日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，面臨著巨大的時(shí)間、成本、質(zhì)量、產(chǎn)品差異化等方面的壓力。企業(yè)難以適應(yīng)市場(chǎng)環(huán)境的突變，例如受此次受疫情的影響，如何利用技術(shù)手段迅速實(shí)現(xiàn)復(fù)工復(fù)產(chǎn)，是每個(gè)制造企業(yè)需要面對(duì)的問(wèn)題。

      除此以外，企業(yè)還面臨著很多棘手的問(wèn)題需要解決，例如新產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)周期過(guò)長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)從“以產(chǎn)定銷”到“按需生產(chǎn)”模式轉(zhuǎn)變；企業(yè)投入大量的人力物力財(cái)力進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新，卻無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估新產(chǎn)品是否可以在現(xiàn)有的制造條件下進(jìn)行生產(chǎn)，因?yàn)樾略O(shè)計(jì)的產(chǎn)品必然要求新的工藝、新的工裝甚至新的設(shè)備、新的生產(chǎn)線，如果在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)之初不仔細(xì)評(píng)估新產(chǎn)品的可制造性，則必然帶來(lái)巨大的隱患。
      而搭建基于數(shù)字孿生技術(shù)的數(shù)字化工廠是解決這些問(wèn)題的最佳途徑，通過(guò)依托產(chǎn)品整個(gè)周期的真實(shí)相關(guān)數(shù)據(jù)，在虛擬環(huán)境中對(duì)生產(chǎn)全過(guò)程進(jìn)行仿真、優(yōu)化及重構(gòu)。通過(guò)創(chuàng)建虛擬模型來(lái)模擬生產(chǎn)過(guò)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(jī)器、工具和設(shè)備進(jìn)行數(shù)字操作。這就可以使企業(yè)能夠快速配置生產(chǎn)系統(tǒng)，以最大限度地提高效率，提高資產(chǎn)利用率，防止停機(jī)，具備一定的靈活性。
01數(shù)字孿生概念的發(fā)展歷史
      密歇根大學(xué)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(dá)”的概念，并指出物理產(chǎn)品的數(shù)字表達(dá)應(yīng)能夠抽象的表達(dá)物理產(chǎn)品，能夠基于數(shù)字表達(dá)對(duì)物理產(chǎn)品進(jìn)行真實(shí)條件或模擬條件下的測(cè)試。這個(gè)概念雖然沒(méi)有被稱作數(shù)字孿生，但是它具備數(shù)字孿生所具有的組成和功能，即創(chuàng)建物理實(shí)體的等價(jià)虛擬體，虛擬體能夠?qū)ξ锢韺?shí)體進(jìn)行仿真分析和測(cè)試。邁克爾·格里夫斯教授提出的理論，可以被看做是數(shù)字孿生在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用。


       在那之后，數(shù)字孿生的概念逐步擴(kuò)展到了模擬仿真、虛擬裝配和3D打印這些領(lǐng)域，而到了2014年以后，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，更多的工業(yè)產(chǎn)品、工業(yè)設(shè)備具備了智能的特征，而數(shù)字孿生也逐步擴(kuò)展到了包括制造和服務(wù)在內(nèi)的完整的產(chǎn)品周期階段，并不斷豐富著數(shù)字孿生的形態(tài)和概念。
02數(shù)字孿生概念的不同形態(tài)
      數(shù)字孿生技術(shù)貫穿了產(chǎn)品生命周期中的不同階段，它同PLM（Product Lifecycle Management）的理念是不謀而合的?？梢哉f(shuō)，數(shù)字孿生技術(shù)的發(fā)展將PLM的能力和理念從設(shè)計(jì)階段真正擴(kuò)展到了全生命周期。數(shù)字孿生以產(chǎn)品為主線，并在生命周期的不同階段引入不同的要素，形成了不同階段的表現(xiàn)形態(tài)。
設(shè)計(jì)階段的數(shù)字孿生
      在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，利用數(shù)字孿生可以提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，并驗(yàn)證產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境中的性能。這個(gè)階段的數(shù)字孿生，主要包括如下功能：
      數(shù)字模型設(shè)計(jì)：使用CAD工具開(kāi)發(fā)出滿足技術(shù)規(guī)格的產(chǎn)品虛擬原型，精確的記錄產(chǎn)品的各種物理參數(shù)，以可視化的方式展示出來(lái)，并通過(guò)一系列的驗(yàn)證手段來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)程度；
模擬和仿真：通過(guò)一系列可重復(fù)、可變參數(shù)、可加速的仿真實(shí)驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證產(chǎn)品在不同外部環(huán)境下的性能和表現(xiàn)，在設(shè)計(jì)階段就驗(yàn)證產(chǎn)品的適應(yīng)性。
制造階段的數(shù)字孿生
      在產(chǎn)品的制造階段，利用數(shù)字孿生可以加快產(chǎn)品導(dǎo)入的時(shí)間，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量、降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品的交付速度。產(chǎn)品階段的數(shù)字孿生是一個(gè)高度協(xié)同的過(guò)程，通過(guò)數(shù)字化手段構(gòu)建起來(lái)的虛擬生產(chǎn)線，將產(chǎn)品本身的數(shù)字孿生同生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程等其他形態(tài)的數(shù)字孿生高度集成起來(lái)，實(shí)現(xiàn)如下的功能：
生產(chǎn)過(guò)程仿真：在產(chǎn)品生產(chǎn)之前，就可以通過(guò)虛擬生產(chǎn)的方式來(lái)模擬在不同產(chǎn)品、不同參數(shù)、不同外部條件下的生產(chǎn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)能、效率以及可能出現(xiàn)的生產(chǎn)瓶頸等問(wèn)題的提前預(yù)判，加速新產(chǎn)品導(dǎo)入的過(guò)程；
數(shù)字化產(chǎn)線：將生產(chǎn)階段的各種要素，如原材料、設(shè)備、工藝配方和工序要求，通過(guò)數(shù)字化的手段集成在一個(gè)緊密協(xié)作的生產(chǎn)過(guò)程中，并根據(jù)既定的規(guī)則，自動(dòng)的完成在不同條件組合下的操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的生產(chǎn)過(guò)程；同時(shí)記錄生產(chǎn)過(guò)程中的各類數(shù)據(jù)，為后續(xù)的分析和優(yōu)化提供依據(jù)。
服務(wù)階段的數(shù)字孿生
       隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟和傳感器成本的下降，很多工業(yè)產(chǎn)品，從大型裝備到消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品，都使用了大量的傳感器來(lái)采集產(chǎn)品運(yùn)行階段的環(huán)境和工作狀態(tài)，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化來(lái)避免產(chǎn)品的故障，改善用戶對(duì)產(chǎn)品的使用體驗(yàn)。這個(gè)階段的數(shù)字孿生，可以實(shí)現(xiàn)如下的功能：
      優(yōu)化客戶的生產(chǎn)指標(biāo)：對(duì)于很多需要依賴工業(yè)裝備來(lái)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的工業(yè)客戶，工業(yè)裝備參數(shù)設(shè)置的合理性以及在不同生產(chǎn)條件下的適應(yīng)性，往往決定了客戶產(chǎn)品的質(zhì)量和交付周期。而工業(yè)裝備廠商可以通過(guò)海量采集的數(shù)據(jù)，構(gòu)建起針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景、不同生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，幫助其客戶?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。
產(chǎn)品使用反饋：通過(guò)采集智能工業(yè)產(chǎn)品的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，工業(yè)產(chǎn)品制造商可以洞悉客戶對(duì)產(chǎn)品的真實(shí)需求，不僅能夠幫助客戶加速對(duì)新產(chǎn)品的導(dǎo)入周期、避免產(chǎn)品錯(cuò)誤使用導(dǎo)致的故障、提高產(chǎn)品參數(shù)配置的準(zhǔn)確性，更能夠精確的把握客戶的需求，避免研發(fā)決策失誤。
03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(guò)設(shè)計(jì)工具、仿真工具、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)等各種數(shù)字化的手段，將物理設(shè)備的各種屬性映射到虛擬空間中，形成可拆解、可復(fù)制、可轉(zhuǎn)移、可修改、可刪除、可重復(fù)操作的數(shù)字鏡像，這極大地加速了操作人員對(duì)物理實(shí)體的了解，可以讓很多原來(lái)由于物理?xiàng)l件限制、必須依賴于真實(shí)的物理實(shí)體而無(wú)法完成的操作，如模擬仿真、批量復(fù)制、虛擬裝配等，成為觸手可及的工具，更能激發(fā)人們?nèi)ヌ剿餍碌耐緩絹?lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)。
2、更全面的分析和預(yù)測(cè)能力
現(xiàn)有的產(chǎn)品生命周期管理，很少能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)，因此往往無(wú)法對(duì)隱藏在表象下的問(wèn)題提前進(jìn)行預(yù)判。而數(shù)字孿生可以結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)的處理和人工智能的建模分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前狀態(tài)的評(píng)估、對(duì)過(guò)去發(fā)生問(wèn)題的診斷，以及對(duì)未來(lái)趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，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(yàn)的數(shù)字化
在傳統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)領(lǐng)域，經(jīng)驗(yàn)往往是一種模糊而很難把握的形態(tài)，很難將其作為精準(zhǔn)判決的依據(jù)。而數(shù)字孿生的一大關(guān)鍵進(jìn)步，是可以通過(guò)數(shù)字化的手段，將原先無(wú)法保存的專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)字化，并提供了保存、復(fù)制、修改和轉(zhuǎn)移的能力。例如，針對(duì)大型設(shè)備運(yùn)行過(guò)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(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練出針對(duì)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，將其形成未來(lái)對(duì)設(shè)備故障狀態(tài)進(jìn)行精準(zhǔn)判決的依據(jù)，并可針對(duì)不同的新形態(tài)的故障進(jìn)行特征庫(kù)的豐富和更新，最終形成自治化的智能診斷和判決。