1.3 数字孪生概述

1.3.1数字孪生的概念LOGO1.3.1数字孪生的概念1.数字孪生的定义

数字孪生也称为数字双胞胎（DigitalTwin），简单来说，它是指针对物理世界中的物体，通过数字化的手段构建一个在数字世界中一模一样的实体，借此来实现对物理实体的了解、分析和优化（见图1-28）。（PhysicalSystem：物理系统，Makingdatavaluable：让数据更有价值，Data：数据，Insights：洞察力，DigitalTwin：数字孪生，VirtualModel：虚拟模型，Planning：计划，Design：设计，Construction：构建，Maintenance：运维，Operations：决策）图1-28数字孪生的概念图1.数字孪生的定义

具体来讲，数字孪生集成了人工智能和机器学习等技术，将数据、算法和决策分析结合在一起，建立模拟（即物理对象的虚拟映射），监控物理对象在虚拟模型中的变化，基于人工智能的多维数据处理与异常诊断，预测潜在风险，在问题发生之前先发现问题，合理有效地规划、决策或对相关设备进行维护。2.数字孪生的技术架构

数字孪生包括数据保障层、建模计算层、功能层和沉浸式体验层四层架构，每一层的实现都建立在前面各层的基础上，是对前面各层功能的丰富和拓展。（1）数据保障层：数据保障层是整个数字孪生技术体系的基础，支撑着整个上层体系的运作，主要由高性能传感器数据采集、高速数据传输和全生命周期数据管理构成。2.数字孪生的技术架构（2）建模计算层：建模计算层主要由建模算法和一体化计算平台两部分构成，建模算法部分充分应用机器学习和人工智能领域的技术方法实现系统数据的深度特征提取和建模，通过采用多物理、多尺度的方法对传感数据进行多层次的解析，挖掘和学习其中蕴含的相互关系、逻辑关系和主要特征，实现对系统的超现实状态表征和建模，并预测系统未来状态和寿命，依据当前和未来的健康状态评估其任务成功的可能性。2.数字孪生的技术架构（3）功能层：功能层面向实际的系统设计、生产、使用和维护需求提供相应的功能，包括多层级系统寿命估计、系统集群执行任务能力的评估、系统集群维护保障、系统生产过程监控及系统辅助决策等功能。2.数字孪生的技术架构（4）沉浸式体验层：沉浸式体验层为使用者提供了良好人机交互使用环境，让使用者能获得身临其境的技术体验，从而迅速了解和掌握复杂系统的特性和功能，能快捷地通过语音和肢体动作访问功能层提供的信息，获得分析和决策方面的信息支持。3.数字孪生的商业价值

随着数字孪生技术得到各领域认可，许多科技企业已经着手研发数字孪生技术并推出了相关产品，这些产品在落地应用中不断升级优化，在提升产品绩效、加快设计周期、发掘新的潜在收入来源，以及优化保修成本管理等方面为企业带来了巨大商业价值。（1）质量方面：提升产品整体质量，预测并快速发现质量缺陷；（2）保修成本与服务方面：优化服务效率，判断保修与索赔问题，降低总体保修成本；（3）运营成本方面：改善产品设计，减少操作与流程变化，降低运营成本；（4）产品追溯方面：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；（5）新产品研发方面：缩短新产品上市时间，降低新产品总体生产成本。谢

谢LOGO1.3.2西门子数字孪生技术LOGO1.3.2西门子数字孪生技术1.西门子数字孪生技术体系（1）产品数字孪生：帮助用户更快地驱动产品设计，获得更佳、更可靠、成本更低的产品，预测产品在整个生命周期中的性能。01（2）生产数字孪生：以虚拟方式设计和评估工艺方案，通过仿真进行优化和分析，迅速制定制造产品的最佳计划。02（3）运营与性能数字孪生：实现透明化生产运营和质量管理，将车间的自动化设备与产品开发、生产工艺设计以及生产和企业管理连接在一起，实现设备和人员的融合。03

西门子（Siemens）是数字孪生技术的倡导者之一，其数字孪生技术包括产品数字孪生、生产数字孪生、运营与性能数字孪生三部分。2.西门子数字孪生的软件

数字孪生的实施需要借助一系列的软件来完成。西门子数字孪生的软件工具主要有：产品生命周期管理（ProductLifecycleManagement，PLM）软件、制造运营管理（ManufacturingOperationsManagement，MOM）软件、全集成自动化（TotallyIntegratedAutomation，TIA）软件。上述软件在产品全生命周期管理数据平台（Teamcenter，TC）的协作下，能够完成不同技术的集成，实现不同人员的协作。2.西门子数字孪生的软件（1）产品生命周期管理软件：PLM软件涉及产品开发和生产的各个环节，即从产品设计到生产规划和工程，直至生产和服务等。PLM软件又包括Teamcenter、NX和Tecnomatix。

其中，Teamcenter能在西门子与其他制造商提供的软件解决方案之间进行管理和交换数据，将分布在不同位置的开发团队、公司和供应商联系起来，形成统一的产品、过程、生产等数据流通通道；

2.西门子数字孪生的软件（1）产品生命周期管理软件：PLM软件涉及产品开发和生产的各个环节，即从产品设计到生产规划和工程，直至生产和服务等。PLM软件又包括Teamcenter、NX和Tecnomatix。

NX软件拥有计算机辅助设计/制造/工程（CAD/CAM/CAE）等多种功能，其建模模块能够进行三维模型的设计和装配，其机电一体化概念设计（MechatronicsConceptDesigner，MCD）模块能够进行运动仿真、过程控制、虚拟调试等；

2.西门子数字孪生的软件（1）产品生命周期管理软件：PLM软件涉及产品开发和生产的各个环节，即从产品设计到生产规划和工程，直至生产和服务等。PLM软件又包括Teamcenter、NX和Tecnomatix。

Tecnomatix软件主要针对整个生产的虚拟设计和过程模拟。其包含ProcessSimulate（PS）、PlantDesigner（PD）与PlantSimulation等组件，可用于流水线与工厂的设计与仿真优化，借助该软件可实现工业机器人工作站的设计和仿真。2.西门子数字孪生的软件（2）制造运行管理软件：MOM软件不仅与控制、自动化和业务层面紧密结合，还与PLM相结合，实现自动化与制造管理、企业管理、供应链管理的无缝连接，使供应链的变化迅速地反应在制造中心，从而为“数字工厂”理念提供了坚实的技术和产品管理基础。西门子制造运行管理软件SIMATICIT包含了一系列产品，为生产运营、管理以及执行人员提供了更高的工厂信息可见性。其中，制造执行系统（ManufacturingExecutionSystem，MES）提供了一个较高层次的环境，为制造过程和操作流程的同步和协调提供了可能，提升了各组件协同工作的能力。2.西门子数字孪生的软件（3）全集成自动化软件：西门子博途软件（TIAPortal）采用统一的工程组态和软件项目环境的自动化软件，可在同一环境中组态西门子的所有可编程控制器、驱动装置和人机界面。在控制器、驱动装置和人机界面之间建立通信实时共享任务，可大大降低连接和组态成本，几乎适用于所有自动化任务。借助全新的博途软件平台，用户能够快速、直观地开发和调试自动化系统。3.西门子数字孪生虚拟调试技术

数字化工厂柔性自动生产线的建设投资大、周期长，现场调试的难度与工作量大。在生产线建设时，越早发现问题，整改的成本就会越低。因此，在生产线正式生产、安装和调试之前，需要先在虚拟环境中对生产线进行模拟调试，解决生产线的规划、干涉、PLC逻辑控制等问题。当完成上述模拟调试之后，再综合加工设备、物流设备、智能工装和控制系统等各种因素，才能全面评估建设生产线的可行性。3.西门子数字孪生虚拟调试技术

虚拟调试（VisualCommissioning，VC）为解决此类难题提供了方便。在设计过程中，生产周期长、更改成本高的机械结构部分可采用虚拟设备，在虚拟环境中进行展示和模拟；易于构建和修改的控制部分则用由PLC搭建的物理控制系统来实现，由实物PLC控制系统生成控制信号来控制虚拟环境中的机械对象，以模拟整个生产线的动作过程。借助该技术，用户能够及早发现机械结构和控制系统的问题，在物理样机或生产线建造前就可以解决问题，节约了时间成本与经济成本。谢谢LOGO1.3.3数字孪生在数字化工厂中的应用LOGO1.3.3数字孪生在数字化工厂中的应用1.新智能制造生产线投产

利用数字孪生，可对机器安装、生产线安装等建立一个庞大的、虚拟仿真版本，通过将物理生产线在数字空间进行复制，提前对安装、中试的工艺进行仿真。对数字孪生体的记录和分析，在实际生产线安装时可以直接复制使用，从而大大降低安装成本，加速“新产品”的落地生根。同时，可以利用机器调试中持续产生的数据波动（如能耗、错误比率、循环周期等）来优化生产，并且这些数据可以在后续的工厂和设备运行中发挥作用，提高生产率。1.新智能制造生产线投产

数字孪生同传统基于经验的设计和制造理念有着巨大不同，使设计人员可以不用通过开发实际的物理原型来验证设计理念，不用通过复杂的物理实验来验证产品的可靠性，不需要进行小批量试制就可以直接预测生产瓶颈，甚至不需要去现场就可以了解销售给客户的产品的运行状况。2.原有制造车间监控、维护

将数字孪生技术引入车间，实现车间信息与物理空间的实时交互与深度融合，包括物理车间、虚拟车间、车