1.何为数字孪生

数字孪生

最早，数字孪生的思路由密歇根大学的 Michael Grieves 提出的，当时叫做“信息镜像模型”（Information Mirroring Model），之后逐渐演变称为“数字孪生”。数字孪生也经常被叫做“数字双胞胎”和“数字化映射”。企业在实施基于模型的系统工程的过程中，会产生大量的物理模型和数学模型，这些模型逐步成为了数字孪生发展的基础。

2012 年 ，NASA 给出了数字孪生的概念描述：数字孪生是指充分利用物理模型、传感器、运行历史等数据，集成多学科、多尺度的仿真过程，它作为虚拟空间中对实体产品的镜像，反映了相对应物理实体产品的全生命周期过程。

为了便于概念理解和讨论方便，学术界提出了“数字孪生体”的概念，认为数字孪生是采用信息技术对物理实体的组成、特征、功能和性能进行数字化定义和建模的过程。数字孪生体是指在计算机虚拟空间存在的与物理实体完全等价的信息模型，可以基于数字孪生体对物理实体进行仿真分析和优化。数字孪生是技术、过程、方法，数字孪生体是对象、模型和数据。

2011 年，Michael Grieves 教授在《几乎完美：通过PLM驱动创新和精益产品》给出了数字孪生的三个组成部分：物理空间的实体产品、虚拟空间的虚拟产品、物理空间和虚拟空间之间的数据和信息交互接口。

在 2016 西门子工业论坛上，西门子认为数字孪生的组成包括：产品数字化双胞胎、生产工艺流程数字化双胞胎、设备数字化双胞胎，数字孪生完整真实地再现了整个企业。北京理工大学的庄存波也从产品的视角给出了数字孪生的主要组成，包括：产品的设计数据、产品工艺数据、产品制造数据、产品服务数据、以及产品淘汰和报废数据等。

在这些理论和概念呈现之后，数字孪生开始从产品扩展到车间、工厂等领域，外界可以把车间、生产线、工厂等看做一个对象，进行分析建模。如北京航空航天的陶飞等人从车间组成的角度先给出了车间数字孪生的定义，然后提出了车间数字孪生的组成，主要包括：物理车间、虚拟车间、车间服务系统、车间孪生数据等组成。物理车间是真实存在的车间，主要从车间服务系统接收生产任务，并按照虚拟车间仿真优化后的执行策略，执行完成任务；虚拟车间是物流车间的计算机内的等价映射，主要负责对生产活动进行仿真分析和优化，并对物理车间的生产活动进行实时的监测、预测和调控；车间服务系统是车间各类软件系统的总称，主要负责车间数字孪生驱动物理车间的运行，和接受物理车间的生产反馈。

2数字孪生与数字样机

数字样机Digital Prototype（DP）或Digital Mock-Up（DMU），指在计算机上表达的机械产品整机或子系统的数字化模型，它与真实物理产品之间具有1:1的比例和精确尺寸表达，其作用是用数字样机验证物理样机的功能和性能。

我国国家标准GB/T 26100-2010《机械产品数字样机通用要求》对数字样机的定义采用英文Digital Mock-Up（DMU），即：数字样机是对机械产品整机或具有独立功能的子系统的数字化描述，这种描述不仅反映了产品对象的几何属性，还至少在某一领域反映了产品对象的功能和性能。由此可见，产品的数字样机形成于产品的设计阶段，可应用于产品的全生命周期，包括：工程设计、制造、装配、检验、销售、使用、售后、回收等环节；数字样机在功能上可实现产品干涉检查、运动分析、性能模拟、加工制造模拟、培训宣传和维修规划等方面。

数字样机技术是以CAX/DFX技术为基础，以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，融合虚拟现实、仿真技术、三维计算机图形技术，将分散的产品设计开发和分析过程集成在一起，使产品的设计者、制造者和使用者在产品的早期可以直观形象地对数字化的虚拟产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真，为产品的研发提供全新的数字化设计方法。

由此可见，数字样机是数字孪生的基础，将数字样机与物理产品或系统的数据关联后，再加上数据分析模型就成了数字孪生。相对于数字样机，数字孪生具有实时、动态、双向的特点。即数字产品实时反映物理产品或系统的运行情况，对数字产品的操作可传递给物理产品。

3.数字孪生与数字主线

数字孪生是一个物理产品的数字化表达，以便于我们能够在这个数字化产品上看到实际物理产品可能发生的情况，与此相关的技术包括增强现实和虚拟现实。数字主线在设计与生产的过程中，仿真分析模型的参数可以传递到产品定义的全三维几何模型，再传递到数字化生产线加工成真实的物理产品，再通过在线的数字化检测/测量系统反映到产品定义模型中，进而又反馈到仿真分析模型中。

数字孪生所展示的信息是数字主线中各个业务环节的数字模型，结合响应的算法模型进行仿真、分析、优化，并通过视觉化形式推送给前端用户；数字主线是一个连续、无的数据链，把从用户需求、产品设计到生产、服务等业务环节的数据模型有机的衔接起来。

4.数字孪生典型方案

DTwin数字孪生产品平台

采用阿里云自研的工业可视化孪生平台，高度融合模块化的可视化框架引擎、支持阿里达摩院、数据智能算法引擎、全息影像等可视化技术，支持成像技术实现的高可用的的数字孪生平台。实现数字、业务、智能、感知的全面可视化智能应用，支撑工厂、车间、产线的智能化转型升级。

图：方案架构图

DTwin为企业钢铁板材智能制造试点示范生产线打造的数字孪生应用，覆盖了除鳞、轧制、主电机、重型强力温矫直机、板型控制、厚度自动、加热炉、热轧、预矫直及轧后超快冷技术等，同时服务于实现全工序信息的互联互通以及生产过程的自感知、自适应和自决策能力。

图：钢铁板材智能制造

安世亚太数字孪生解决方案

一个典型的数字孪生系统包括用户域、数字孪生域、测试与控制实体、现实物理域和跨域功能实体共五个层次。该架构作为安世亚太开发数字孪生体的基础架构，具有很好的拓展性，即便在不同领域下，都具有其指导意义，只要根据该框架适当的实例化展开，即可完成系统构建。

图：解决方案架构图