「 1. 西門子的數(shù)字孿生實(shí)踐 」

西門子公司緊跟德國(guó)工業(yè)4.0和智能制造的發(fā)展趨勢(shì)，近年來高度重視數(shù)字孿生技術(shù)的研究與應(yīng)用探索，通過最近兩年時(shí)間的研發(fā)，已經(jīng)把數(shù)字孿生融入到其數(shù)字化戰(zhàn)略中去，并深入到解決方案中。2017年底，正式發(fā)布了完整的數(shù)字孿生應(yīng)用模型，在西門子的數(shù)字孿生體應(yīng)用模型中包括：

（1）數(shù)字孿生產(chǎn)品（digital twin product），可以使用數(shù)字孿生進(jìn)行有效的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)；

（2）數(shù)字孿生生產(chǎn)（digital twin production），在制造和生產(chǎn)規(guī)劃中使用數(shù)字孿生；

（3）數(shù)字孿生體績(jī)效（digital twin performance），使用數(shù)字孿生捕獲、分析和踐行操作數(shù)據(jù)，從而形成了一個(gè)完整的解決方案體系，并把西門子現(xiàn)有的產(chǎn)品及系統(tǒng)包攬其中，例如Teamcenter、PLM等。^[1]

在車輛領(lǐng)域，西門子通過數(shù)字孿生將現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界無縫融合，通過產(chǎn)品的數(shù)字孿生，制造商可以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)、仿真和驗(yàn)證，包括機(jī)械以及其他物理特性，并且將電器和電子系統(tǒng)一體化集成，如圖1所示。新的技術(shù)提供了新的汽車設(shè)計(jì)與制造模式，基于數(shù)字孿生制造商能夠規(guī)劃和驗(yàn)證生產(chǎn)過程、創(chuàng)造工廠布局、選擇生產(chǎn)設(shè)備并且仿真與預(yù)測(cè)，并優(yōu)化人員和制造過程的工作條件。在自動(dòng)生成可編輯控制器的代碼后，通過虛擬調(diào)試技術(shù)，即可字虛擬環(huán)境中驗(yàn)證自動(dòng)化系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)快速高效的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。隨后，利用虛擬世界來控制物理世界，將可編輯控制器代碼下載到車間的設(shè)備中，通過全集成自動(dòng)化，可實(shí)現(xiàn)高效可靠生產(chǎn)；通過制造運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)排成和生產(chǎn)執(zhí)行及質(zhì)量檢測(cè)；通過Mindsphere可隨時(shí)監(jiān)控所有機(jī)器設(shè)備，構(gòu)建生產(chǎn)和產(chǎn)品及性能的數(shù)字孿生，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)的分析與評(píng)估（圖2）。此外，通過物理世界可持續(xù)反饋至產(chǎn)品和生產(chǎn)的數(shù)字孿生，可實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)世界中生產(chǎn)和產(chǎn)品的不斷改進(jìn)，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化的周期。

圖1 西門子車輛數(shù)字孿生

圖2 基于Mindsphere平臺(tái)的西門子數(shù)字孿生^[2]

我們大多數(shù)人認(rèn)為呼吸是理所當(dāng)然的，每天呼吸大約17000～23000次。目前，一些感染了COVID-19的患者在呼吸方面存在重大問題，并且難以維持生命。具有超過25000種的呼吸產(chǎn)品Vyaire Medical公司是醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域的全球市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者，能夠提供用于診斷、治療和監(jiān)測(cè)生命各個(gè)階段呼吸狀況的服務(wù)。該公司利用西門子提供的技術(shù)支持，即使用Simcenter開發(fā)其產(chǎn)品的數(shù)字孿生，從而通過消除構(gòu)建和測(cè)試物理原型的耗時(shí)過程來顯著減少開發(fā)時(shí)間。在開發(fā)新產(chǎn)品的早期階段，能夠在仿真內(nèi)部進(jìn)行工作，而不是構(gòu)建昂貴的物理原型，從而實(shí)現(xiàn)了縮短了時(shí)間周期并加快了工作進(jìn)度的應(yīng)用效果。^[3]

此外，西門子在風(fēng)力渦輪機(jī)方面也開展了相關(guān)應(yīng)用。^[4]當(dāng)風(fēng)力渦輪機(jī)或風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)開始運(yùn)行時(shí)，會(huì)生成其他數(shù)據(jù)。記錄與分析并返回操作性能數(shù)據(jù)，以作為反饋支持產(chǎn)品、運(yùn)行過程的優(yōu)化和風(fēng)力渦輪機(jī)的優(yōu)化等方面。基于數(shù)字孿生的特性能夠提高工程效率、縮短上市時(shí)間、簡(jiǎn)化調(diào)試、優(yōu)化流程并改善服務(wù)，其優(yōu)勢(shì)具體包含以下3個(gè)方面：

（1）數(shù)字孿生模型支持開始批量生產(chǎn)之前進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)并測(cè)試風(fēng)能設(shè)備。風(fēng)力渦輪機(jī)的數(shù)字孿生還可以在調(diào)試之前對(duì)關(guān)鍵階段進(jìn)行仿真，從而確保安全實(shí)施。此外，維修人員還可以在實(shí)際調(diào)試之前進(jìn)行虛擬培訓(xùn)。

（2）數(shù)字孿生指導(dǎo)風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)行。因數(shù)字孿生能夠連續(xù)記錄運(yùn)行和性能數(shù)據(jù)，并對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行全面分析，從而可支持以可持續(xù)的方式優(yōu)化風(fēng)力發(fā)電機(jī)的生產(chǎn)和性能。

（3）數(shù)字孿生輔助設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)。為了確保最大程度地利用維護(hù)間隔，即維護(hù)時(shí)間不能過早，但同時(shí)也不能過晚，從而以避免任何計(jì)劃外的停機(jī)時(shí)間，這樣可以將停機(jī)時(shí)間降至最低。維護(hù)后或由于更換組件而對(duì)風(fēng)力發(fā)電廠所做的更改直接記錄在系統(tǒng)中，所有有關(guān)系統(tǒng)狀況的文檔始終保持最新的狀態(tài)。

「 2. ANSYS的數(shù)字孿生實(shí)踐 」

如圖3所示，ANSYS構(gòu)建了泵的數(shù)字孿生，首先在泵上布置了加速度計(jì)、壓力傳感器、流量計(jì)等傳感器，與控制器采集的數(shù)據(jù)共同支撐泵數(shù)字孿生模型的構(gòu)建，基于模型的動(dòng)態(tài)交互等特點(diǎn)可提供實(shí)時(shí)檢測(cè)與修復(fù)模擬等服務(wù)，通過泵的數(shù)字孿生有助于更好地理解和優(yōu)化產(chǎn)品性能，并輔助故障檢測(cè)與個(gè)性化維修指導(dǎo)。例如，通過泵的數(shù)字孿生模型發(fā)現(xiàn)了對(duì)某異常振動(dòng)的根本原因的分析，即壓力下降導(dǎo)致氣蝕形成氣泡，產(chǎn)生振動(dòng)。^[5]

圖3 ANSYS構(gòu)建的泵數(shù)字孿生^[5]

ANSYS還將數(shù)字孿生應(yīng)用于油氣行業(yè)提供設(shè)備運(yùn)維管理等服務(wù)。^[6]石油和天然氣行業(yè)一直在尋找降低能源生產(chǎn)成本的方法。為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，油氣行業(yè)可以將數(shù)字孿生應(yīng)用于油氣行業(yè)中的各種工業(yè)設(shè)備上。該行業(yè)可以基于數(shù)字孿生進(jìn)行管道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并使用數(shù)字孿生模型來預(yù)測(cè)腐蝕，腐蝕，屈曲和疲勞將如何影響實(shí)際資產(chǎn)。此外，這些數(shù)據(jù)可用于優(yōu)化未來設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)維護(hù)周期、防止泄漏、減少停機(jī)時(shí)間并提高吞吐量。

「 3. 達(dá)索的數(shù)字孿生實(shí)踐 」

達(dá)索進(jìn)行了一個(gè)項(xiàng)目“生命心臟項(xiàng)目”（LHP）^[7]，以通過生物技術(shù)傳感器和掃描技術(shù)為人類心臟建立數(shù)字孿生。數(shù)字孿生是具有電和肌肉特性的心臟的個(gè)性化全尺寸模型，可以模擬真實(shí)心臟的行為。它不僅可以支持各種操作，例如貼緊心臟起搏器，反轉(zhuǎn)腔室，切割任何橫截面以及運(yùn)行假設(shè)，而且還可以對(duì)心臟進(jìn)行虛擬分析，以便在疾病開始之前為心臟病患者提供護(hù)理。

此外，達(dá)索還開展了數(shù)字孿生城市的應(yīng)用探索。^[8]新加坡政府正在以3D形式構(gòu)建城市的數(shù)字孿生，以供設(shè)計(jì)師，規(guī)劃師和決策者探索未來。首次，真實(shí)世界的3D虛擬表示使官員更容易“解釋和交流”，因?yàn)?ldquo;3D是自然語(yǔ)言”。其次，官員可以鳥瞰城市，也可以選擇放大區(qū)域的特定特征。在最廣泛的層面上，虛擬新加坡將顯示實(shí)際建筑物的地形，形狀和位置，這對(duì)于洪水分析非常有用。此外，規(guī)劃人員還可以獲取建筑物的詳細(xì)視圖，包括紋理，屋頂和窗戶，以進(jìn)行諸如規(guī)劃太陽(yáng)能電池板屋頂或緊急疏散路線之類的事情。單擊建筑物可以顯示其消耗的電量。他們可以走到行人的高度，查看陰影通道的可及性，交通和可用性。新加坡的城市數(shù)字孿生擁有豐富的數(shù)據(jù)，包括關(guān)于交通信號(hào)燈和公交車站等位置的靜態(tài)數(shù)據(jù)，以及諸如公交車位置和登革熱簇等傳感器的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，此外還有有關(guān)人們行為方式的數(shù)據(jù)，例如有多少人進(jìn)出公交車，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)交通的優(yōu)化。該數(shù)字孿生城市平臺(tái)還將用于更長(zhǎng)期的計(jì)劃和決策。例如，新加坡人口老齡化將要求對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行重大更改。未來公民和企業(yè)也可以訪問虛擬的新加坡，例如，公司可以使用虛擬新加坡測(cè)試無人駕駛汽車，而無需將其放置在交通繁忙的道路上。

「 4. PTC的數(shù)字孿生實(shí)踐 」

PTC曾將數(shù)字孿生應(yīng)用于自行車上。該自行車的數(shù)字孿生可以實(shí)時(shí)監(jiān)控自行車的性能。此外，當(dāng)自行車騎行并且其組成部件移動(dòng)時(shí)，虛擬空間的自行車數(shù)字孿生模型也會(huì)同步移動(dòng)，該原型的開發(fā)涉及三個(gè)主要步驟。第一步是組裝帶有零件的自行車；第二步是在這些組件和PTC的Thingworx IoT平臺(tái)之間創(chuàng)建通信鏈接。第三步是將Thingworx輸入連接到儀表板風(fēng)格的界面，并以有意義的自行車性能信息的形式為用戶提供了來自傳感器的數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)視圖。該數(shù)字孿生能夠通過分析現(xiàn)實(shí)世界中的產(chǎn)品使用情況和狀況數(shù)據(jù)，以告知功能和功能需求，從而更好地適應(yīng)市場(chǎng)并提供增值服務(wù)。此外，對(duì)于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)也提供了數(shù)字的支持。^[9]

T-Systems是全球領(lǐng)先的信息和通信技術(shù)提供商之一。隨著基礎(chǔ)架構(gòu)的老化，T-Systems在客戶端面臨的最大挑戰(zhàn)是數(shù)字轉(zhuǎn)換。PTC與其合作創(chuàng)建了T-Systems數(shù)字孿生模型，在汽車行業(yè)中有效地設(shè)計(jì)和監(jiān)控剎車片。在ThingWorx中收集和可視化現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)，在Windchill PLM系統(tǒng)中，將這些實(shí)際數(shù)據(jù)鏈接到產(chǎn)品數(shù)據(jù)。通過利用PTC技術(shù)，T-Systems可以收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并以有意義的方式反饋給客戶。^[10]

「 5. 微軟的數(shù)字孿生實(shí)踐 」

微軟將Azure Digital Twins作為一個(gè)IoT平臺(tái)^[11]，可對(duì)環(huán)境的全面數(shù)字模型的構(gòu)建賦能，其目標(biāo)對(duì)象包括建筑物、工廠、能源網(wǎng)絡(luò)，甚至是整個(gè)城市。通過構(gòu)建數(shù)字孿生模型，以達(dá)到驅(qū)動(dòng)更好的產(chǎn)品生產(chǎn)、優(yōu)化操作流程、減少成本費(fèi)用與提高客戶體驗(yàn)等目的。Azure Digital Twins具有如下幾方面的功能，使得Azure Digital Twins可實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)獲取、數(shù)字孿生體建模、數(shù)字孿生體的實(shí)時(shí)表示，到孿生數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析的全流程業(yè)務(wù)。

（1）使用開放式語(yǔ)言構(gòu)建數(shù)字孿生模型。在Azure Digital Twin中，使用“模型”將物理環(huán)境中的人、空間、事件等因素映射到相應(yīng)的數(shù)字實(shí)體，并使用開放式的建模語(yǔ)言數(shù)字孿生定義語(yǔ)言（digital twins definition language, DTDL）進(jìn)行模型的構(gòu)建，其可以從狀態(tài)屬性、遙測(cè)事件、組件及關(guān)系等各方面進(jìn)模型進(jìn)行描述。在Azure Digital Twins模型構(gòu)建中，可以使用模型繼承的方法來構(gòu)建新的模型，從而提高構(gòu)建模型的效率與通用性。^[11]

（2）保障數(shù)字孿生體對(duì)其實(shí)體的實(shí)時(shí)表示。在Azure Digital Twin中，可通過數(shù)據(jù)處理與業(yè)務(wù)邏輯以實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體對(duì)其相應(yīng)實(shí)時(shí)的實(shí)時(shí)表示。在該功能中，Azure Digital Twin可通過連接外部計(jì)算資料以保障數(shù)據(jù)處理的能力，同時(shí)可利用查詢API實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字孿生體中各組分的屬性值、關(guān)系、模型信息等條件 ，以深入了解數(shù)字孿生體。^[11]

（3）豐富的數(shù)據(jù)來源。Azure Digital Twins可接收來自IoT及業(yè)務(wù)系統(tǒng)的輸入作為驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生體的數(shù)據(jù)。Azure Digital Twins可通過在其中新建IoT中心或?qū)⒁延械腎oT中心與可管理設(shè)備相連接，以實(shí)現(xiàn)IoT數(shù)據(jù)的接入；同時(shí)，Azure Digital Twins可通過相應(yīng)的API接口或其它服務(wù)的連接器，實(shí)現(xiàn)從其它數(shù)據(jù)源中獲取數(shù)據(jù)以驅(qū)動(dòng)數(shù)字孿生體的運(yùn)行。^[11]

（4）完整的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理服務(wù)提供。Azure Digital Twins可將數(shù)字孿生體中的數(shù)據(jù)傳遞到下游的Azure服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及進(jìn)一步處理，如使用Azure Data Lake存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，使用Azure Synapse Analytics或其它微軟數(shù)據(jù)分析工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。^[11]

「 6. 空客的數(shù)字孿生實(shí)踐 」

空中客車公司（以下簡(jiǎn)稱空客）在飛機(jī)組裝過程中使用數(shù)字孿生技術(shù)以提高自動(dòng)化程度并減少交貨時(shí)間。^[12]

在碳纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料（carbon fibre-reinforced polymer, CFRP）機(jī)身結(jié)構(gòu)的組裝過程中，因?yàn)镃FRP組件的存在，在組裝過程中要求剩余應(yīng)力不得超過特定值。為達(dá)到減小剩余應(yīng)力的目的，空客開發(fā)了應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)的大型配件裝配系統(tǒng)，對(duì)裝配過程進(jìn)行自動(dòng)控制以減少剩余應(yīng)力。該系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型具有以下幾方面的特點(diǎn)：^[12]

（1）建立數(shù)字孿生體的行為模型。在該裝配系統(tǒng)中創(chuàng)建的數(shù)字孿生模型不僅僅是相應(yīng)實(shí)際零部件的三維CAD模型，同時(shí)基于裝備的傳感器，也對(duì)各組件的行為模型進(jìn)行建模，包括組件的力學(xué)行為模型及形變行為模型。

（2）建立不同層級(jí)的數(shù)字孿生體。在該裝配系統(tǒng)中，不僅對(duì)各組件建立相應(yīng)的數(shù)字孿生體模型，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)本身也建立了相應(yīng)的數(shù)字孿生模型。系統(tǒng)本身的數(shù)字孿生體用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為每個(gè)裝配過程提供預(yù)測(cè)性仿真。

（3）虛實(shí)交互與孿生體的協(xié)調(diào)工作。在裝配過程中，多個(gè)定位單元均配備有傳感器、驅(qū)動(dòng)器與控制器，各個(gè)定位單元在收集傳感器數(shù)據(jù)的同時(shí)，還需與相鄰的定位單元相配合。傳感器將獲得的待裝配體的形變數(shù)據(jù)與位置數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉ㄎ粏卧�的�?shù)字孿生體，孿生體通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理以計(jì)算相應(yīng)的校正位置，在有關(guān)剩余應(yīng)力值的限制范圍內(nèi)引導(dǎo)組件的裝配過程，如圖4所示。

圖4 各定位單元協(xié)同引導(dǎo)裝配過程^[12]