“數字雙胞胎”與建模仿真技術(shù)曾被稱(chēng)作智能制造業(yè)的下一波浪潮，工業(yè)4.0也要求，若要虛和實(shí)的互動(dòng)以及相互增強，數字化模型必須先出現。
什么是數字雙胞胎
“數字化雙胞胎”（Digital Twin）是指以數字化方式拷貝一個(gè)物理對象，模擬對象在現實(shí)環(huán)境中的行為，對產(chǎn)品、制造過(guò)程乃至整個(gè)工廠(chǎng)進(jìn)行虛擬仿真，從而提高制造企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)、制造的生產(chǎn)效率。
所有“產(chǎn)品”最早是人類(lèi)大腦里的一個(gè)模糊概念，在沒(méi)有數字化模型幫助的情況下，要打造出一件產(chǎn)品或一套生產(chǎn)流程，必然會(huì )經(jīng)歷多次迭代設計，有時(shí)候僅僅為了驗證產(chǎn)品的某一個(gè)尺寸，部件之間的裝配關(guān)系，流程的某一環(huán)節，就不得不制造出很多個(gè)中間產(chǎn)品或重新設計流程（被稱(chēng)為打樣），耗費大量時(shí)間、金錢(qián)和人力。采用數字化模型的設計技術(shù)（常指CAD技術(shù)，即數字化輔助設計），就可在虛擬的三維數字空間里從無(wú)到有地創(chuàng )造出部件和產(chǎn)品以及工藝流程。在虛擬的三維空間里，可以輕松的修改部件和產(chǎn)品的每一處尺寸和裝配關(guān)系，使得產(chǎn)品幾何結構的驗證工作、裝配可行性的驗證工作、流程的可實(shí)行性大為簡(jiǎn)單，因此可以大幅度減少迭代過(guò)程中的物理樣機的制造次數，時(shí)間，成本。除此之外，專(zhuān)門(mén)的電路CAD設計技術(shù)可以根據電路以及器件的原理，在三維數字空間設計出電路，并且也可以進(jìn)行虛擬的驗證和迭代設計。同樣也可以大幅度減少制造物理樣機的代價(jià)。這就是數字化模型一定會(huì )早于物理實(shí)體產(chǎn)品出現的原因。實(shí)際上，在最終的產(chǎn)品制造出來(lái)之前，有很多個(gè)數字化模型代表著(zhù)產(chǎn)品迭代的各個(gè)階段。這些模型或者其中的一部分，仍然有可能被以后的型號或者產(chǎn)品線(xiàn)所采用，這也是數字化模型的一個(gè)附加好處。
建模仿真的“前世今生”
建模仿真最早來(lái)源于上世紀60年代至70年代的計算機語(yǔ)言編寫(xiě)的數字算法，當時(shí)只是簡(jiǎn)單的用于計算特定物理現象，解決設計問(wèn)題；之后的二十年，隨著(zhù)工作站和微機的普及以及計算能力的提高，仿真技術(shù)的應用逐漸遍及各個(gè)學(xué)科和不同層面；而且不會(huì )停留在設計階段，正在向產(chǎn)品和系統的全生命周期擴展，構成與實(shí)體形影不離的“數字雙胞胎”。由于仿真能夠在產(chǎn)品生命周期提供無(wú)縫協(xié)助和優(yōu)化，將會(huì )成為制造體系的核心功能之一，未來(lái)智能工廠(chǎng)是基于模型的系統工程或基于模型的制造，軟件定義產(chǎn)品、決定企業(yè)盛衰，仿真技術(shù)制造系統關(guān)鍵組成部分的黃金時(shí)代才剛剛開(kāi)始。Gartner預測，到2021年，全球50％的大型工業(yè)公司將使用數字雙胞胎，從而使這些組織的效率提高10％，尤其是制造業(yè)和工程行業(yè)的公司，如果想要在競爭中保持領(lǐng)先地位，就需要考慮實(shí)施數字雙胞胎。
制造業(yè)是目前數字雙胞胎最常用的行業(yè)，按時(shí)向客戶(hù)提供保質(zhì)保量的產(chǎn)品對制造企業(yè)至關(guān)重要，如果機器的運轉不能協(xié)同并以適當的容量工作，就回影響員工、生產(chǎn)、可交付性以及最終客戶(hù)的滿(mǎn)意度；采取實(shí)時(shí)監控、不中斷生產(chǎn)的情況下進(jìn)行測試、并且能夠在設施中收集的數百萬(wàn)個(gè)數字據點(diǎn)獲得更多信息，數字雙胞胎使制造企業(yè)更加智能。
在德勤的一份案例研究中，一家工業(yè)制造企業(yè)決定采用數字雙胞胎方法，來(lái)解決其在現場(chǎng)遇到的問(wèn)題，從而解決維護費用和客戶(hù)延遲交付。制造企業(yè)收集了設備以及正在生產(chǎn)的產(chǎn)品數據，來(lái)研究裝配過(guò)程及其與產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)系。因此，該項目能夠識別低效率并優(yōu)化裝配流程，將返工率降低了15％至20％。
數字雙胞胎的國內現狀
最早在市場(chǎng)上提出“數字化雙胞胎”模型概念的是西門(mén)子，基于模型的虛擬企業(yè)和基于自動(dòng)化技術(shù)的現實(shí)企業(yè)的“數字化雙胞胎”（Digital Twins），包括“產(chǎn)品數字化雙胞胎”、“生產(chǎn)工藝流程數字化雙胞胎”和“設備數字化雙胞胎”，三個(gè)層面又高度集成為一個(gè)統一的數據模型，并通過(guò)數字化助力企業(yè)整合橫向和縱向價(jià)值鏈，提供工業(yè)生態(tài)系統重塑和實(shí)現“工業(yè)4.0”自下而上的切實(shí)之路。
數字雙胞胎的引入國內僅僅幾年時(shí)間，目前處于初步探索與實(shí)踐環(huán)節，距離廣泛應用還有很長(cháng)的路要走；目前數字雙胞胎技術(shù)還面臨著(zhù)諸多難題，主要可分為三類(lèi)：一是高仿真度，高保真度的仿真建模是構建數字雙胞胎體系的關(guān)鍵，數字雙胞胎作為物理實(shí)體在數字空間的超寫(xiě)實(shí)動(dòng)態(tài)模型，產(chǎn)品虛擬模型的高精度性、多物理場(chǎng)建模、高保真度響應模擬等是首要解決的技術(shù)難題。二是數據收集，由于數字孿生技術(shù)的應用以海量數據為基礎，并且是基于全要素、全生命周期的數據，而有關(guān)這些數據所涉及的先進(jìn)傳感器技術(shù)、自適應感知、精確控制與執行技術(shù)等難題急需攻關(guān)。三是實(shí)時(shí)監測與健康預測技術(shù)也尚待完善，實(shí)時(shí)和預測是數字孿生的核心要素，一方面物理產(chǎn)品的數據動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)反映在數字孿生體系中，另一方面，數字孿生基于感知的大數據進(jìn)行分析決策，進(jìn)而控制物理產(chǎn)品，而其中離不開(kāi)相應的高實(shí)時(shí)性數據交互、高置信度仿真預測、超級計算能力等技術(shù)能力。此外，新的設計檢驗方法仍需進(jìn)一步探索，使物理模式的實(shí)驗結果更準確、更接近真實(shí)的工況，為數字孿生體的推演提供可靠的數據支撐。
目前中國制造業(yè)正處于轉型升級的關(guān)鍵時(shí)期，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、大數據、人工智能和實(shí)體經(jīng)濟深度融合，使得中國制造競爭力得到大幅提升。未來(lái)，數字雙胞胎也可結合物聯(lián)網(wǎng)的數據采集、大數據處理和人工智能建模分析，實(shí)現對過(guò)去發(fā)生問(wèn)題的診斷、當前狀態(tài)的評估以及未來(lái)趨勢的預測，并給予分析結果，模擬各種可能性，提供更全面的決策支持。
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