Digital Twin 數(shù)字孿生_工四100術(shù)語(yǔ) (編號(hào)308)

Digital Twin 數(shù)字孿生| 工四100術(shù)語(yǔ) (編號(hào)308) 工四術(shù)語(yǔ)（編號(hào)308）Digital Twin 數(shù)字孿生其他譯法：數(shù)字鏡像，數(shù)字雙胞胎，數(shù)字化映射本詞條由知識(shí)自動(dòng)化工四100術(shù)語(yǔ)編寫組收錄，版權(quán)所有。歡迎業(yè)內(nèi)提出建議?！暗搅?035年，當(dāng)航空公司接收一架飛機(jī)的時(shí)候，將同時(shí)還驗(yàn)收另外一套數(shù)字模型。每個(gè)飛機(jī)尾號(hào)，都伴隨著一套高度詳細(xì)的數(shù)字模型?！泵绹?guó)航空周報(bào)兩年前就迫不及待地做出這樣的預(yù)測(cè)。是的，每一特定架次的飛機(jī)都不再孤獨(dú)。因?yàn)?，它有一個(gè)忠誠(chéng)的影子，從不消失，伴隨一生。這就是數(shù)字孿生。美國(guó)國(guó)防部最早提出利用Digital Twin技術(shù)，用于航空航天飛行器的健康維護(hù)與保障。首先在數(shù)字空間建立真實(shí)飛機(jī)的模型，并通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)真實(shí)狀態(tài)完全同步，這樣每次飛行后，根據(jù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)有情況和過(guò)往載荷，及時(shí)分析評(píng)估是否需要維修，能否承受下次的任務(wù)載荷等。圖1 數(shù)據(jù)流動(dòng)與信息鏡像這一概念顯然是在現(xiàn)有的虛擬制造、數(shù)字樣機(jī)（包括幾何樣機(jī)、功能樣機(jī)、性能樣機(jī)）等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)?，F(xiàn)有的虛擬制造或數(shù)字樣機(jī)也是建立在真實(shí)物理產(chǎn)品數(shù)字化表達(dá)的基礎(chǔ)上的。然而現(xiàn)有的數(shù)字樣機(jī)建立的目的就是描述產(chǎn)品設(shè)計(jì)者對(duì)這一產(chǎn)品的理想定義，用于指導(dǎo)產(chǎn)品的制造、功能性能分析（理想狀態(tài)下的）。而真實(shí)產(chǎn)品在制造中由于加工、裝配誤差、和使用、維護(hù)、修理等因素，并不能與數(shù)字化模型保持完全一致。從而，數(shù)字樣機(jī)并不能反應(yīng)真實(shí)產(chǎn)品系統(tǒng)的準(zhǔn)確情況，在這些數(shù)字化模型上的仿真分析，其有效性受到了明顯的限制。工四100術(shù)語(yǔ)定義Digital Twin數(shù)字孿生：是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。美國(guó)國(guó)防采辦大學(xué)DAU的術(shù)語(yǔ)Digital Twin是一種超越現(xiàn)實(shí)的概念，可以被視為一個(gè)或多個(gè)重要的、彼此依賴的裝備系統(tǒng)的數(shù)字映射系統(tǒng)。以飛行器為例，可以包含機(jī)身、推進(jìn)系統(tǒng)、能量存儲(chǔ)系統(tǒng)、生命支持系統(tǒng)、航電系統(tǒng)以及熱保護(hù)系統(tǒng)等。它將物理世界的參數(shù)，重新反饋到數(shù)字世界，從而可以完成仿真驗(yàn)證和動(dòng)態(tài)調(diào)整。數(shù)字孿生，有時(shí)候也用來(lái)指代將一個(gè)工廠的廠房及產(chǎn)線，在沒(méi)有建造之前，就完成數(shù)字化模型。從而在虛擬的賽博空間中對(duì)工廠進(jìn)行仿真和模擬，并將真實(shí)參數(shù)傳給實(shí)際的工廠建設(shè)。而工房和產(chǎn)線建成之后，在日常的運(yùn)維中二者繼續(xù)進(jìn)行信息交互。也可以被稱為“數(shù)字鏡像”，“數(shù)字雙胞胎”或“數(shù)字化映射”。值得注意的是：Digital Twin不是構(gòu)型管理的工具不是制成品的3D尺寸模型不是制成品的MBD定義 對(duì)于Digital Twin的極端需求，同時(shí)也將驅(qū)動(dòng)著新材料開(kāi)發(fā)，而所有可能影響到裝備工作狀態(tài)的異常，將被明確地進(jìn)行考察、評(píng)估和監(jiān)控。Digital Twin正是從內(nèi)嵌的綜合健康管理系統(tǒng)（IVHM）集成了傳感器數(shù)據(jù)、歷史維護(hù)數(shù)據(jù)，以及通過(guò)挖掘而產(chǎn)生的相關(guān)派生數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)的整合，Digital Twin可以持續(xù)地預(yù)測(cè)裝備或系統(tǒng)的健康狀況、剩余使用壽命以及任務(wù)執(zhí)行成功的概率，也可以預(yù)見(jiàn)關(guān)鍵安全事件的系統(tǒng)響應(yīng)，通過(guò)與實(shí)體的系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，揭示裝備研制中存在的未知問(wèn)題。Digital Twin可能通過(guò)激活自愈的機(jī)制或者建議更改任務(wù)參數(shù)來(lái)減輕損害或進(jìn)行系統(tǒng)的降級(jí)，從而提高壽命和任務(wù)執(zhí)行成功的概率。數(shù)字孿生與Digital Thread的關(guān)系Digital Twin是與Digital Thread，既相互關(guān)聯(lián)，又有所區(qū)別的一個(gè)概念。Digital Twin是一個(gè)物理產(chǎn)品的數(shù)字化表達(dá)，以便于我們能夠在這個(gè)數(shù)字化產(chǎn)品上看到實(shí)際物理產(chǎn)品可能發(fā)生的情況，與此相關(guān)的技術(shù)包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)。Digital Thread在設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的過(guò)程中，仿真分析模型的參數(shù)，可以傳遞到產(chǎn)品定義的全三維幾何模型，再傳遞到數(shù)字化生產(chǎn)線加工成真實(shí)的物理產(chǎn)品，再通過(guò)在線的數(shù)字化檢測(cè)/測(cè)量系統(tǒng)反映到產(chǎn)品定義模型中，進(jìn)而又反饋到仿真分析模型中。圖2 數(shù)據(jù)經(jīng)由Digital Thread流動(dòng)依靠Digital Thread，所有數(shù)據(jù)模型都能夠雙向溝通，因此真實(shí)物理產(chǎn)品的狀態(tài)和參數(shù)將通過(guò)與智能生產(chǎn)系統(tǒng)集成的賽博物理系統(tǒng)CPS向數(shù)字化模型反饋，致使生命周期各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)字化模型保持一致，從而能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)評(píng)估系統(tǒng)的當(dāng)前及未來(lái)的功能和性能。而裝備在運(yùn)行的過(guò)程中，又通過(guò)將不斷增加的傳感器、機(jī)器的聯(lián)接而收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋利用，可以將后期產(chǎn)品生產(chǎn)制造和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的需求融入到早期的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，形成設(shè)計(jì)改進(jìn)的智能閉環(huán)。這就是Digital Twin的領(lǐng)域。然而，并不是建立了全機(jī)有限元模型，就有了數(shù)字孿生，那只是問(wèn)題的一個(gè)角度；必須在生產(chǎn)中把所有真實(shí)制造尺寸反饋回模型，再用PHM（健康預(yù)測(cè)管理）實(shí)時(shí)搜集飛機(jī)實(shí)際受力情況，反饋回模型，才有可能成為Digital Twin。Digital Twin描述的是通過(guò)Digital Thread連接的各具體環(huán)節(jié)的模型?？梢哉f(shuō)Digital Thread是把各環(huán)節(jié)集成，再配合智能的制造系統(tǒng)、數(shù)字化測(cè)量檢驗(yàn)系統(tǒng)的以及賽博物理融合系統(tǒng)的結(jié)果。圖3 數(shù)字孿生與數(shù)字生產(chǎn)線通過(guò)Digital Thread集成了生命周期全過(guò)程的模型，這些模型與實(shí)際的智能制造系統(tǒng)和數(shù)字化測(cè)量檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)一步與嵌入式的賽博物理融合系統(tǒng)(CPS)進(jìn)行無(wú)縫的集成和同步，從而使我們能夠在這個(gè)數(shù)字化產(chǎn)品上看到實(shí)際物理產(chǎn)品可能發(fā)生的情況。簡(jiǎn)單說(shuō)，Digital Thread貫穿了整個(gè)產(chǎn)品生命周期，尤其是從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)維的無(wú)縫集成；而Digital Twin更像是智能產(chǎn)品的概念，它強(qiáng)調(diào)的是從產(chǎn)品運(yùn)維到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的回饋。它是物理產(chǎn)品的數(shù)字化影子，通過(guò)與外界傳感器的集成，反映對(duì)象從微觀到宏觀的所有特性，展示產(chǎn)品的生命周期的演進(jìn)過(guò)程。當(dāng)然，不止產(chǎn)品，生產(chǎn)產(chǎn)品的系統(tǒng)（生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)線）和使用維護(hù)中的系統(tǒng)也要按需建立Digital Twin。Digital Twin的應(yīng)用和進(jìn)展實(shí)現(xiàn)Digital Twin的許多關(guān)鍵技術(shù)都已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，比如多物理尺度和多物理量建模、結(jié)構(gòu)化的健康管理、高性能計(jì)算等，但實(shí)現(xiàn)Digital Twin需要集成和融合這些跨領(lǐng)域、跨專業(yè)的多項(xiàng)技術(shù)，從而對(duì)裝備的健康狀況進(jìn)行有效評(píng)估，這與單個(gè)技術(shù)發(fā)展的愿景有著顯著的區(qū)別。因此，可以設(shè)想Digital Twin這樣一個(gè)極具顛覆的概念，在未來(lái)可以預(yù)見(jiàn)的時(shí)間內(nèi)很難取得足夠的成熟度，建立中間過(guò)程的里程碑目標(biāo)就顯得尤為必要。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）2013年發(fā)布的Spiral 1計(jì)劃就是其中重要的一步，已與通用電氣（GE）和諾思羅譜 格魯曼簽訂了2000萬(wàn)美元的商業(yè)合同以開(kāi)展此項(xiàng)工作。計(jì)劃以現(xiàn)有美國(guó)空軍裝備F15為測(cè)試臺(tái)，集成現(xiàn)有最先進(jìn)的技術(shù)，與當(dāng)前具有的實(shí)際能力為測(cè)試基準(zhǔn)，從而標(biāo)識(shí)出虛擬實(shí)體還存在的差距。當(dāng)然，對(duì)于Digital Twin這么一個(gè)好聽(tīng)好記的概念，許多公司已經(jīng)迫不及待地將其從高尖端的領(lǐng)域，拉到民眾的眼前。圖4 數(shù)字世界和實(shí)體世界的融合GE將其作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要概念，力圖通過(guò)大數(shù)據(jù)的分析，可以完整地透視物理世界機(jī)器實(shí)際運(yùn)行的情況；而激進(jìn)的PLM廠商PTC公司，則將其作為主推的“智能互聯(lián)產(chǎn)品”的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)：智能產(chǎn)品的每一個(gè)動(dòng)作，都會(huì)重新返回設(shè)計(jì)師的桌面，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的反饋與革命性的優(yōu)化策略。Digital Twin突然賦予了設(shè)計(jì)師們以全新的夢(mèng)想。它，正在引導(dǎo)人們，穿越那虛實(shí)界墻，在物理與數(shù)字模型之間自由交互與行走。Digital Twin是智能制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)Digital twin最為重要的啟發(fā)意義在于，它實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)向賽博空間數(shù)字化模型的反饋。這是一次工業(yè)領(lǐng)域中，逆向思維的壯舉。人們?cè)噲D將物理世界發(fā)生的一切，塞回到數(shù)字空間中。只有帶有回路反饋的全生命跟蹤，才是真正的全生命周期概念。這樣，就可以真正在全生命周期范圍內(nèi)，保證數(shù)字與物理世界的協(xié)調(diào)一致。各種基于數(shù)字化模型進(jìn)行的各類仿真、分析、數(shù)據(jù)積累、挖掘，甚至人工智能的應(yīng)用，都能確保它與現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)的適用性。這就是Digital twin對(duì)智能制造的意義所在。智能系統(tǒng)的智能首先要感知、建模，然后才是分析推理。如果沒(méi)有Digital twin對(duì)現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)體系的準(zhǔn)確模型化描述，所謂的智能制造系統(tǒng)就是無(wú)源之水，無(wú)法落實(shí)。后記Digital Twin這個(gè)詞讓我們編寫組頗費(fèi)周折，前后歷時(shí)三個(gè)多月反復(fù)琢磨?？紤]到這是理解美國(guó)智能制造業(yè)的關(guān)鍵性詞匯，因此需要格外打磨其含義。首先要談Digital Twin，就躲不開(kāi)Digital Thread。后者是前者的使能因素。Digital Thread被我們“工四100術(shù)語(yǔ)”編寫組，最早翻譯成“數(shù)字主線”。但感覺(jué)仍然有些不太滿意。后來(lái)“數(shù)字線”，以及專家提出的“數(shù)字鏈”，都讓我們?cè)谶x擇上頗費(fèi)躊躇。（讀者如果有更好的翻譯建議，歡迎在原文下方直接留言。）而從Digital Twin翻譯成中文的角度，我們一直特別喜歡“數(shù)字雙胞胎”這個(gè)詞，太上口了。但感謝英諾維盛公司趙敏先生提供的辨析思路，使得我們最后還是采用了“數(shù)字孿生”作為正式用語(yǔ)，而將“數(shù)字雙胞胎”作為可選詞條。 數(shù)字雙胞胎、數(shù)字孿生與數(shù)字鏡像(by 趙敏)“雙胞胎”說(shuō)的是兩個(gè)一模一樣的事物，無(wú)論是形狀，還是質(zhì)地。而Digital Twin想要表達(dá)是形狀上完全相似，而在質(zhì)地上差異極大。數(shù)字孿生，僅僅是說(shuō)明數(shù)字產(chǎn)品與物理產(chǎn)品它們之間長(zhǎng)得非常像而已。不使用“體”這個(gè)詞，主要是為了強(qiáng)調(diào)，數(shù)字虛擬體和物理實(shí)體之間，是有著本質(zhì)的差別的。因此數(shù)字雙胞胎，或者雙胞體，都會(huì)引起錯(cuò)誤的聯(lián)想。實(shí)際上，數(shù)字鏡像，應(yīng)當(dāng)算是一個(gè)最準(zhǔn)確的翻譯。當(dāng)你看鏡子里面的你的時(shí)候，鏡子里面的“你”是你嗎？當(dāng)然不是，只是一個(gè)光學(xué)鏡像而已。同樣，數(shù)字世界中的數(shù)字產(chǎn)品，真的是物理產(chǎn)品嗎？顯然也不是