導(dǎo)讀：谷歌“digital twin”有4.2億鏈接，百度“數(shù)字孿生”或“數(shù)字雙胞胎”也有600多萬鏈接。這一簡潔有力的概念已經(jīng)超越其前輩“仿真與建模”，獲得全球政產(chǎn)學(xué)研尤其是工業(yè)軟件商的一致認(rèn)可。那么什么是“數(shù)字孿生”？是誰第一個(gè)提出這一概念，堪稱“數(shù)字孿生之父”？
   1992年，著名的計(jì)算機(jī)和人工智能思想家，耶魯大學(xué)David Gelernter教授出版Mirror Worlds一書，雖然沒有明確提出數(shù)字孿生這一名詞，但他描述了一個(gè)軟件定義的虛擬現(xiàn)實(shí)世界，和數(shù)字孿生概念的內(nèi)涵基本一致。David Gelernter教授在書中寫道：
   什么是鏡像世界（mirror worlds）?它們是從計(jì)算機(jī)屏幕中看到的代表真實(shí)世界的軟件模型，海量的信息通過巨大的軟件通道源源不斷地涌入模型，如此多的信息使得模型可以模擬現(xiàn)實(shí)世界每時(shí)每刻的運(yùn)動(dòng)。
   2002年12月3日，密歇根大學(xué)Michael Grieves教授在PLM中心啟動(dòng)會(huì)上，首次明確提出數(shù)字孿生這一概念，他稱之為“PLM的一個(gè)理想化概念”（圖1）。

圖1

   他認(rèn)為通過物理設(shè)備的數(shù)據(jù)，可以在虛擬（信息）空間構(gòu)建一個(gè)表征該物理設(shè)備的虛擬實(shí)體和子系統(tǒng)，并且這種聯(lián)系不是單向和靜態(tài)的，而是在整個(gè)產(chǎn)品的生命周期中都聯(lián)系在一起。Michael Grieves博士論述數(shù)字孿生的書名為《Virtually Perfect》，已有中文版《智能制造之虛擬完美模型》。
   2012年，在夏威夷舉辦的第53屆美洲航空航天協(xié)會(huì)（AIAA）學(xué)術(shù)會(huì)議上，NASA的Glaessgen和美國空軍的Stargel發(fā)表了一篇文章“The Digital Twin Paradigm for future NASA and U.S. Air Force Vehicles”，完整深入地論述了未來航空航天器數(shù)字孿生的理想模型。該文章對數(shù)字孿生進(jìn)行了嚴(yán)格的學(xué)術(shù)定義：
   數(shù)字孿生是飛行器或系統(tǒng)集成的多物理、多尺度的概率性仿真，它使用最好的可用物理模型、更新的傳感器數(shù)據(jù)和歷史飛行數(shù)據(jù)等來反映與該模型對應(yīng)的飛行實(shí)體全生命周期的真實(shí)特性。
數(shù)字孿生這一理念創(chuàng)新雖然算不上什么革命性突破，但應(yīng)該承認(rèn)，其對制造業(yè)數(shù)字化的應(yīng)用深化，凝聚方向性的共識，起到了重要的推動(dòng)作用。
   回到本文開篇的問題，誰堪稱“數(shù)字孿生之父”？過去30年間，隨著摩爾定律導(dǎo)致計(jì)算成本指數(shù)下降，數(shù)值計(jì)算方法不斷發(fā)展，產(chǎn)品創(chuàng)新競爭加劇，建模和仿真越來越可靠，使用范圍越來越廣，工程師開始暢想一個(gè)數(shù)字全面替代物理的場景，催生了數(shù)字孿生概念的演進(jìn)?？偨Y(jié)起來，我們心目中的功勞簿如下：
         David Gelernter（1992）：第一個(gè)數(shù)字孿生想法的提出者（雖然1992年還顯得有些科幻）。
         Michael Greives（2002）：第一個(gè)數(shù)字孿生的命名者。
         Glaessgen和Stargel （2012）：第一個(gè)數(shù)字孿生的嚴(yán)格學(xué)術(shù)定義者。
         西門子工業(yè)軟件：第一個(gè)數(shù)字孿生的倡導(dǎo)者和實(shí)踐者。
   美國國家科學(xué)基金會(huì)（National Science Foundation，NSF）的Helen Gill在2006年創(chuàng)造了信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）的概念，德國于2011年利用該概念提出了工業(yè)4.0（Industrie 4.0）。
   西門子工業(yè)軟件在2016年開始嘗試?yán)脭?shù)字孿生體來完善工業(yè)4.0應(yīng)用，到2017年底，西門子工業(yè)軟件正式發(fā)布了完整的數(shù)字孿生體應(yīng)用模型，成為第一個(gè)數(shù)字孿生倡導(dǎo)者和實(shí)踐者（圖2）。

   數(shù)字孿生技術(shù)是將帶有三維數(shù)字模型的信息拓展到整個(gè)生命周期中的數(shù)字鏡像技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)虛擬與物理世界同步和一致。它不是讓虛擬世界做現(xiàn)在我們已經(jīng)做到的事情，而是發(fā)現(xiàn)潛在問題、激發(fā)創(chuàng)新思維、不斷追求優(yōu)化進(jìn)步—這才是數(shù)字孿生的目標(biāo)所在。
   數(shù)字孿生技術(shù)幫助企業(yè)在實(shí)際投入生產(chǎn)之前即能在虛擬環(huán)境中優(yōu)化、仿真和測試，在生產(chǎn)過程中也可同步優(yōu)化整個(gè)企業(yè)流程，最終實(shí)現(xiàn)高效的柔性生產(chǎn)，快速創(chuàng)新及上市，鍛造企業(yè)持久競爭力。
數(shù)字孿生技術(shù)是制造企業(yè)邁向工業(yè)4.0戰(zhàn)略目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，通過掌握產(chǎn)品信息及其生命周期過程的數(shù)字思路將所有階段（產(chǎn)品創(chuàng)意、設(shè)計(jì)、制造規(guī)劃、生產(chǎn)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(yīng)的生產(chǎn)智能設(shè)備。
   數(shù)字孿生將各專業(yè)技術(shù)集成為一個(gè)數(shù)據(jù)模型，并將PLM（產(chǎn)品生命周期管理）、MOM（生產(chǎn)運(yùn)營系統(tǒng)）和TIA（全集成自動(dòng)化）集成在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)下，也可以根據(jù)需要將供應(yīng)商納入平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)價(jià)值鏈數(shù)據(jù)的整合，業(yè)務(wù)領(lǐng)域包括“產(chǎn)品數(shù)字孿生”“生產(chǎn)數(shù)字孿生”和“運(yùn)營數(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)字孿生的關(guān)鍵能力包含：
   1）數(shù)字模型設(shè)計(jì)。使用CAD工具開發(fā)出滿足技術(shù)規(guī)格的產(chǎn)品虛擬原型，精確記錄產(chǎn)品的各種物理參數(shù)，以可視化的方式展示出來，并通過一系列驗(yàn)證手段來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)程度。
   2）模擬和仿真。通過一系列可重復(fù)、可變參數(shù)、可加速的仿真實(shí)驗(yàn)，來驗(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)階段就可驗(yàn)證產(chǎn)品的適應(yīng)性。
   3）產(chǎn)品數(shù)字孿生。在需求驅(qū)動(dòng)下，建立基于模型的系統(tǒng)工程產(chǎn)品研發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)全過程閉環(huán)管理，從細(xì)化領(lǐng)域?qū)缦聨讉€(gè)方面，如圖3所示。

   4）產(chǎn)品系統(tǒng)定義。包括產(chǎn)品需求定義、系統(tǒng)級架構(gòu)建模與驗(yàn)證、功能設(shè)計(jì)、邏輯定義、可靠性、設(shè)計(jì)五性（包含可靠性、維修性、安全性、測試性及保障性）分析、失效模式和影響分析（Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA）等。
   5）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仿真。包括機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。具體包含機(jī)械結(jié)構(gòu)模型建立、多專業(yè)學(xué)科仿真分析（涵蓋機(jī)械系統(tǒng)的強(qiáng)度、應(yīng)力、疲勞、振動(dòng)、噪聲、散熱、運(yùn)動(dòng)、灰塵、濕度等方面的分析）、多學(xué)科聯(lián)合仿真（包括流固耦合、熱電耦合、磁熱耦合以及磁熱結(jié)構(gòu)耦合等）以及半實(shí)物仿真等。
   6）3D創(chuàng)成式設(shè)計(jì)。創(chuàng)成式設(shè)計(jì)（generative design）是一種參數(shù)化建模方式，在設(shè)計(jì)的過程中，當(dāng)設(shè)計(jì)師輸入產(chǎn)品參數(shù)之后，算法將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整和判斷，直到獲得最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。創(chuàng)成式設(shè)計(jì)可以幫助設(shè)計(jì)師優(yōu)化零件強(qiáng)度重量比，以模仿自然結(jié)構(gòu)發(fā)展的方式，創(chuàng)造出最強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)，同時(shí)最大限度地減少材料的使用。
   7）電子電氣設(shè)計(jì)與仿真。包括電子電氣系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證、電氣連接設(shè)計(jì)和驗(yàn)證、電纜和線束設(shè)計(jì)和驗(yàn)證等。相關(guān)仿真包括電子電氣系統(tǒng)的信號完整性、傳輸損耗、電磁干擾、耐久性、PCB散熱等方面的分析。
   8）軟件設(shè)計(jì)、調(diào)試與管理。包括軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、編碼、管理、測試等，同時(shí)支撐軟件系統(tǒng)全過程的管理與bug閉環(huán)管理。
   9）設(shè)計(jì)全過程管理。系統(tǒng)設(shè)計(jì)全過程的管理和協(xié)同，包括設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和流程、設(shè)計(jì)仿真和過程、各種MCAD/ECAD/軟件設(shè)計(jì)工具和仿真工具的整合應(yīng)用與管理。

本文摘自大數(shù)據(jù)DT（ID：hzdashuju）公眾號