数字孪生：未来制造业的基石

  数字孪生（Digital Twin）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。

  数字孪生能够理解、预测产品、设备或过程，乃至能对物理产品实施控制、改变产品的状态，让很多原来由于物理条件限制、必须依赖于真实的物理实体而无法完成的操作变得触手可及，从而实现对于产品、设备或过程的相关要素资源的优化，并进一步激发数字化创新。

  数字孪生是由物理实体（PE）、虚拟模型(VE)、孪生数据(DD)、服务(Ss)和连接(CN)５个维度构成的综合体，可以通过多维虚拟模型和孪生融合数据双驱动及虚实闭环交互机制，实现监测、仿真、评估、预测、优化、控制等功能服务和虚实共生交互机制。

       数字孪生技术，为工业注入“智慧”的动力，将工业机械成为具有数字生命力的“数字产品”。从2016年起，它连续被Gartner评为当年的十大战略科技发展趋势之一。目前，数字孪生技术已推广应用于航空航天、汽车制造、轨道交通、船舶航运、城市管理、电力、医疗、油气、农业等多个领域，形成了数字孪生卫星、数字孪生车间、数字孪生医疗、数字孪生城市等一批具有发展活力和韧性的新业态。

数字孪生在工业领域的应用现状：

工厂级应用现状：发展较为缓慢，缺乏深度应用，主要受限于现有工厂各层级数字化条件及工厂复杂多系统建模技术能力；

产线级应用现状：应用相对广泛，得益于生产过程中的监测技术已相对成熟，但细粒度建模能力及决策算法尚不成熟；

设备级应用现状：应用更为成熟，深度应用主要为零部件级别，但设备模型精确度、数字化多层级建模技术、预测算法待优化。

      近年来，西门子、通用电气等工业巨头纷纷打造数字孪生解决方案，并赋能工业企业。据IDC预测，到2022年，70%的制造商将使用数字孪生技术进行流程仿真和场景评估?？杉?，未来数字孪生技术有望持续在工业界发挥作用，加快推动工业企业实现数字化转型。随着存储与计算成本日益走低，数字孪生的应用案例与潜在收益大幅上涨，并转而提升商业价值。

    在产品质量方面，数字孪生可以提升整体质量，预测并快速发现质量缺陷趋势，控制质量漏洞，判断何时会出现质量问题；

    在保修成本与服务上，数字孪生能够了解当前设备配置，优化服务效率，判断保修与索赔问题，以降低总体保修成本，并改善客户体验；

    在运营成本上，数字孪生则可以改善产品设计，有效实施工程变更，提升生产设备性能，减少操作与流程变化；

    在记录保存与编序上，数字孪生能够帮助创建数字档案，记录零部件与原材料编号，从而更有效地管理召回产品与质保申请，并进行强制追踪；

    在新产品引进成本与交付周期上，数字孪生将缩短新产品上市时间，降低新产品总体生产成本，有效识别交付周期较长的部件及其对供应链的影响；

    对于收入增长机会来说，数字孪生则能够识别有待升级的产品，提升效率，降低成本，优化产品。

01-基于工业互联网的焊接机器人秒级数字孪生系统

通过智能焊接设备搭载云平台，进行实时数据采集与分析、焊缝质量检测，实现秒级数字孪生工业应用，实时设备状态检测，数据延迟小于1s，远程决策干预小于2s，达到高效准确地远程监控与预测。

来源：长沙智能机器人研究院

方案优势：

  焊接数据集中管理，自动评估和分析；

  可对焊接耗材消耗量进行记录与预测，并提示与报警；

  实现每条焊缝的数据透明化和可追溯性；

  每个工件的可追溯性及参数记录；

  可实现节拍优化和成本优化，提高设备的稼动率；

02-工业生产线三维可视化解决方案

      通过物联网、虚实联动和三维建模等技术，根据用户需求快速的建立智能生产线的仿真模拟并进行工程规划、工程验证、工艺分析、逻辑验证等工作，整合物流、人机工程及物理仿真模拟功能，帮助企业进行产能规划。

                         来源：长沙智能机器人研究院

方案优势：

高度仿真实际生产状态，打造基于大数据下的智能可视化应用

实时数据驱动的仿真洞察

通过数据可视化建模对比分析，实时展示现实环境的具体生产情况

通过VR和AR功能引擎组件，可全面打造虚拟的动态场景

03-基于数字孪生的虚拟实验教学系统

结合云平台，基于Web技术、VR虚拟现实技术构建开放式网络化的虚拟实验教学平台，自主开发工业机器人编程、拆装、焊接等虚拟教学软件，持续专注于信息化教育技术与传统教学的深度融合。

来源：长沙智能机器人研究院

方案优势：

三维立体展示效果

人机交互

超强沉浸感

可实现多人共享

多通道融合

新一代信息技术的广泛应用，引发传统制造、生产模式的变革。数字孪生作为新的前沿技术，以仿真技术为基础，在智能制造、智慧城市建设等方面都将发挥较大的推动作用。过去几十年数据量的爆炸式增长，意味着物理世界的数字孪生不断完善。未来，物理世界的数字镜像将从分时到实时、从宏观到微观不断完善，形成一个完整的数字孪生。其作用正在辅助改变工业进程的号角，最终达到高效生产、柔性生产、智能生产，真正助力企业持久竞争力的打造。

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参考资料:陶飞，刘蔚然，德勤分析等，数字孪生及其应用探索，《数字孪生应用白皮书2020版》