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数字孪生技术在企业生产中的应用

今天的数字化技术正在不断地改变每一个企业。未来，所有

的企业都将成为数字化的公司，这不只是要求企业开发出具备数

字化特征的产品，更指的是通过数字化手段改变整个产品的设计、

开发、制造和服务过程，并通过数字化的手段连接企业的内部和

外部环境。数字孪生技术是CPS体系的关键组成部份，以数字化

方式创建物理实体的虚拟模型，借助数据模拟物理实体在现实环

境中的行为。本文主要针对数字孪生技术在企业生产中的应用进

行分析和讨论。

【关键词】数字孪生技术;企业生产;应用

一、数字孪生技术概述

数字孪生技术（DigitalTwin，简称DT）是充分利用物理模

型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多

尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相

对应的实体物的全生命周期过程。DT是一种超越现实的概念，

可以被视为一个或多个重要的、彼此依赖的系统的数字映射系统。

美国国防部为了航空航天飞行器的健康维护与保障，最早提出并

利用了DT技术。

数字孪生技术有时候也用来指代将一个工厂的厂房及产线，

在没有建造之前，就完成数字化模型，继而在虚拟空间中对工厂

进行仿真和模拟，并将真实参数传给实际的工厂建设（从这层应

用上讲，数字孪生功效类似国内提出的半实物仿真技术）。而工

房和生产线建成后的日常运维中二者继续进行信息交互，贯穿产

品全生命周期的全时空。

二、数字孪生技术在企业生产中的应用

数字孪生技术会帮助企业在实际投入生产之前即能在虚拟

环境中优化、仿真和测试，在生产过程中也可同步优化整个企业

流程，最终实现高效的柔性生产、实现快速创新上市，锻造企业

持久竞争力。数字孪生技术是制造企业迈向工业4.0战略目标的

關键技术，通过将掌握产品信息及其生命周期过程的数字思路将

所有阶段（产品创意、设计、制造规划、生产和使用）衔接起来，

并连接到可以理解这些信息并对其做出反应的生产智能设备。

（一）产品数字孪生

在产品的设计阶段，利用数字孪生可以提高设计的准确性，

并验证产品在真实环境中的性能。这个阶段的数字孪生，关键能

力包含，第一：数字模型设计，使用CAD工具开发出满足技术

规格的产品虚拟原型，精确的记录产品的各种物理参数，以可视

化的方式展示出来，并通过一系列的验证手段来检验设计的精准

程度;第二：模拟和仿真：通过一系列可重复、可变参数、可加速

的仿真实验，来验证产品在不同外部环境下的性能和表现，在设

计阶段就验证产品的适应性。

（二）生产数字孪生

在产品的制造阶段，生产数字孪生的主要目的是确保产品可

以被高效、高质量和低成本的生产，它所要设计、仿真和验证的

对象主要是生产系统，包括制造工艺、制造设备、制造车间、管

理控制系统等。利用数字孪生可以加快产品导入的时间，提高产

品设计的质量、降低产品的生产成本和提高产品的交付速度。产

品阶段的数字孪生是一个高度协同的过程，通过数字化手段构建

起来的虚拟生产线，将产品本身的数字孪生同生产设备、生产过

程等其他形态的数字孪生高度集成起来。

（三）设备数字孪生

产品作为客户的设备资产在运行过程中，将设备运行信息实

时传送到云端，进行设备运行优化，进行设备可预测性维护与保

养，通过设备运行信息，对产品设计、工艺和制造迭代优化。包

含设备运行优化、可预测性维护、维修与保养、设计、工艺与制

造迭代优化。

三、数字孪生技术应用发展态势

（一）数字孪生应用已渗透到资产、车间、企业各个层级

数字孪生应用场景广泛，当前覆盖“NIST智能制造系统”中的

产品、生产和商业三大领域，并朝着实现三大领域价值链条全面

优化的方向发展。一是面向产品的数字孪生应用聚焦产品全生命

周期优化。如AFRL与NASA合作构建F-15数字孪生体，基于

战斗机试飞、生产、检修全生命数据修正仿真过程机理模型，提

高了机体维护预警准确度;二是面向车间的数字孪生应用聚焦生

产全过程管控。如空客通过在关键工装、物料和零部件上安装

RFID，生成了A350XWB总装线的数字孪生体，使工业流程更加

透明化，并能够预测车间瓶颈、优化运行绩效;三是面向企业的数

字孪生应用聚焦业务综合评估与管理。如SoftwareAG基于ARIS

业务流程建模功能构建了面向企业业务的数字孪生体，并通过模