详解数字孪生技术及其在工业生产中的应用

　　＂数字孪生＂作为一项关键技术和提高效能的重要工具，可以有效发挥其在模型设计、数据采集、分析预测、模拟仿真等方面的作用，助力推进数字产业化、产业数字化，促进数字经济与实体经济融合发展。
　　一、数字孪生的定义
　　标准化组织中的定义—— 数字孪生是具有数据连接的特定物理实体或过程的数字化表达，该数据连接可以保证物理状态和虚拟状态之间的同速率收敛，并提供物理实体或流程过程的整个生命周期的集成视图，有助于优化整体性能。
　　学术界的定义——数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体，借助历史数据、实时数据以及算法模型等，模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段。
　　企业的定义——数字孪生是资产和流程的软件表示，用于理解、预测和优化绩效以实现改善的业务成果。
　　二、数字孪生的发展趋势
　　从Garnter发布的2017年新兴技术成熟度曲线图上可以看出，数字孪生技术正处于冉冉上升的阶段。IDC公司在2018年11月发布，到2020年全球排名前2000家的企业中将有30%使用工业互联网产品中的数字孪生来助力产品创新。
　　党的十九大报告指出，我国经济已经由高速增长阶段转向高质量发展阶段。我们正处在转变发展方式、优化经济结构、转换增长动力的攻关期，这为数字经济与实体经济融合发展带来了重大机遇。
　　产业发展中的转型升级，不仅是技术问题，也不仅是管理问题;不只是商业交换问题，也不仅是商业模式问题，而是—种新的价值模式的问题，是要重新定义一个价值体系和产业结构。
　　数字孪生系统不仅是从技术层面，更多的是从＂为企业创造价值，为企业转型，为企业找到新的价值模式＂层面，发挥现实作用。
　　三、数字孪生的典型特征
　　(1) 互操作性
　　数字孪生中的物理对象和数字空间能够双向映射、动态交互和实时连接，因此数字孪生具备以多样的数字模型映射物理实体的能力，具有能够在不同数字模型之间转换、合并和建立＂表达＂的等同性。
　　(2) 可扩展性
　　数字孪生技术具备集成、添加和替换数字模型的能力，能够针对多尺度、多物理、多层级的模型内容进行扩展。
　　(3) 实时性
　　数字孪生技术要求数字化，即以一种计算机可识别和处理的方式管理数据以对随时间轴变化的物理实体进行表征。表征的对象包括外观、状态、属性、内在机理，形成物理实体实时状态的数字虚体映射。
　　(4) 保真性
　　数字孪生的保真性指描述数字虚体模型和物理实体的接近性，要求虚体和实体不仅要保持几何结构的高度仿真，在状态、相态和时态上也要仿真。
　　(5) 闭环性
　　数字孪生中的数字虚体，用于描述物理实体的可视化模型和内在机理，以便于对物理实体的状态数据进行监视、分析推理、优化工艺参数和运行参数，实现决策功能。
　　四、数字孪生工厂概述
　　数字孪生最为重要的启发意义在于，实现了现实物理系统向赛博空间数字化模型的反馈。
　　数字孪生主要是创建和物理实体等价的虚拟体或数字模型，通过增强现实、仿真分析和虚拟现实等功能，根据物理实体运行的实时反馈信息对物理实体的运行状态进行监控，能够依据采集的物理实体的运行数据完善虚拟体的仿真分析算法，从而对物理实体的后续运行和改进提供更加精确的决策。
　　数字孪生工厂将PLM(全生命周期管理软件)，MES(制造执行系统)和TIA(全集成自动化)等能实现价值链运转的数据整合，三维可视化数字工厂平台完美将3D建模技术和信息技术有机结合，更和VR/AR/MR深度融合，实现身临其境增强现实的数字化工厂。为从产品设计、生产规划、生产工程、生产实施直至服务的各个环节打造一致的、无缝的数据平台，形成基于模型的虚拟企业和基于自动化技术的现实企业镜像。
　　五、数字孪生三维可视化的应用
　　1、宏观场景可视化
　　在特定的环境中对随着时间推移而不断变化的目标实体进行检测，可以直观、灵活、逼真的展示所处区域的情景和环境，可以快速掌握目标区域的整体态势。
　　2、设备运行数字孪生可视化
　　根据图像、三维动画、以及计算机程控技术与实体模型进行融合，实现对设备运行的检测与模拟，使得管理者对于其所管理设备的外观形象、所处位置、运行参数一目了然，可以很大程度上减少管理者的劳动强度，进而提高管理效率和水平。
　　3、数据统计分析可视化
　　目前应用较为广泛，此功能普遍应用于商业智能、政府决策、公众服务、市场营销等等领域。借助可视化的管理系统，可以更加清晰的进行信息传达与沟通。
　　当前工业生产已经发展到高度自动化与信息化阶段，在生产过程中产生大量信息。但由于信息的多源异构、异地分散特征易形成信息孤岛，在工业生产中没有发挥出应有价值。
　　而数字孪生为工业产生的物理对象创建了虚拟空间，并将物理设备的各种属性映射到虚拟空间中。工业人员通过在虚拟空间中模拟、分析、生产预测，能够仿真复杂的制造工艺，实现产品设计，制造和智能服务等闭环优化。
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