当前对数字孪生存在多种不同认识和理解,目前尚未形成统一共识的定义,但物理实体、虚拟模型、数据、连接、服务是数字孪生的核心要素。不同阶段(如产品的不同阶段)的数字孪生呈现出不同的特点,对数字孪生的认识与实践离不开具体对象、具体应用与具体需求。从应用和解决实际需求的角度出发,实际应用过程中不一定要求所建立的"数字孪生"具备所有理想特征,能满足用户的具体需要即可。

数字孪生与智能制造的关系是什么

从各国的先进制造业国家发展战略演变角度来看,无论是美国从"去工业化"到"再工业化",到"以软带硬"的"工业互联网"战略,再到美国国家先进制造战略计划;德国从机械化、电气化、信息化,到"以硬带软"的"工业4.0"的制造业创新发展战略;还是中国从"信息化带动工业化,工业化促进信息化",到两化融合和两化深度融合,再到"中国制造2025"的"融合演进"的制造强国发展战略,都期望通过信息物理融合来实现智能制造。综上可知,智能制造是当前世界制造业的共同发展趋势。而如何实现制造信息世界和物理世界的互联互通与集成共融,是迈向智能制造的瓶颈之一。 数字孪生是实现信息物理融合的有效手段。一方面,数字孪生能够支持制造的物理世界与信息世界之间的虚实映射与双向交互,从而形成"数据感知-实时分析-智能决策-精准执行"实时智能闭环;另一方面,数字孪生能够将运行状态、环境变化、突发扰动等物理实况数据与仿真预测、统计分析、领域知识等信息空间数据进行全面交互与深度融合,从而增强制造的物理世界与信息世界的同步性与一致性。相关统计结果表明,学术界和工业界都将数字孪生作为践行智能制造的关键使能技术之一。

数字孪生何用?

数字孪生以数字化的形式在虚拟空间中构建了与物理世界一致的高保真模型,通过与物理世界间不间断的闭环信息交互反馈与数据融合,能够模拟对象在物理世界中的行为,监控物理世界的变化,反映物理世界的运行状况,评估物理世界的状态,诊断发生的问题,预测未来趋势,乃至优化和改变物理世界。数字孪生能够突破许多物理条件的限制,通过数据和模型双驱动的仿真、预测、监控、优化和控制,实现服务的持续创新、需求的即时响应和产业的升级优化。基于模型、数据和服务等各方面的优势,数字孪生正在成为提高质量、增加效率、降低成本、减少损失、保障安全、节能减排的关键技术,同时数字孪生应用场景正逐步延伸拓展到更多和更宽广的领域。数字孪生具体功能、应用场景及作用如表所示。

数字孪生功能

数字孪生适用准则是什么?

企业在应用数字孪生前,面临的首要决策问题是本企业是否需要用数字孪生?是否适用数字孪生?是否值得使用数字孪生?事实上,数字孪生并非适用于所有对象和企业。为辅助企业根据自身情况做出正确决策,本节尝试从产品类型、复杂程度、运行环境、性能、经济与社会效益等不同维度总结数字孪生适用准则,如表所示

                            

本文来源:北京航空航天大学,自动化科学与电气工程学院,数字孪生研究组

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