第一章 引言
近年来，随着科技的迅猛发展，“中国制造”已逐渐成为历史，“中国智造”的时代正在飞速到来！放眼世界，智能制造已成为全球制造业的未来发展方向，作为智能制造的核心技术之一，数字孪生技术在逐渐改变着传统制造业的面貌。
本文将带您走进数字孪生技术，带您了解数字孪生技术的概念、应用以及未来发展趋势，与您共同探讨如何借助数字孪生技术推动智能制造的发展。
智能手机、智能家具，我们每天都在与各种高科技智能产品和服务打交道。但你有没有想过，这些产品和服务背后，有一个看不见的“影子”在默默工作，这就是数字孪生技术（Digital Twin）。
根据工信部中国电子技术标准化研究院发布的《数字孪生应用白皮书》，数字孪生在标准化组织、学术界以及企业中的定义有所区别。
图 1数字孪生定义（资料来源：《数字孪生应用白皮书》前瞻产业研究院）
通俗来讲，数字孪生是指针对物理世界中的物体，通过数字化的手段在数字世界中构建一个一模一样的实体。就像每个人都有一个影子一样，每个物理实体都可以有一个数字化映射。
从技术角度来看，数字孪生集成了建模与仿真、虚拟现实、物联网、云边协同以及人工智能等多种技术，可以看作是虚拟与现实的桥梁，通过数字孪生技术，我们可以在虚拟空间中对物理实体进行仿真、预测和优化，有助于提高生产效率和产品质量。
图 2数字孪生概念图（源于网络）
事实上，数字孪生的概念并非一蹴而就，如学术界多数研究成果一样，也曾经历了逐步完善的历程。
首次出现——2003年，由美国教授迈克尔·格里夫（Michael Grieves）在密歇根大学和国家宇航局的讲座上，对数字孪生作出了抽象而清晰的表述[1]。
定义诞生——2012年，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，简称NASA）发布的技术路线图中首先提出数字孪生概念，并给出了规范的定义。
商业化阶段——约从2014年开始，数字孪生开始进入商业化应用阶段，西门子、达索、PTC、ESI、ANSYS等国际制造产业巨头陆续推出基于该技术的数字化解决方案，并对数字孪生概念的定义进行了逐步完善。
当然，科学研究既要有高度，也需落到实处，只有将科研成果切实转化为现实生产力，才能实现经济社会发展的一再跃升。
从具体应用层面来看，数字孪生在智能制造领域的潜力十分可观，在以下多种生命周期中均具有广泛的应用场景：
1.预测性维护
相比于“亡羊补牢”的事后“修复性维护”、定期进行的“预防性维护”，在工业设备的维修、维护中，“预测性维护”常常被看作是一种先知先觉的智慧。在许多行业中，由于没能准确预测大型设备资产可能出现的故障并进行提前维护、缩短停机时间，造成大规模损失的反面教材比比皆是。
在工业设备的运维阶段中，数字孪生技术可用于实时监测设备运行状态，并运用算法模型采集数据，预测设备可能出现的故障，制定合理的维护计划，从而缩短停机时间与维护成本，提高设备使用寿命。
2.虚拟仿真
在产品设计阶段，产品未来是否存在缺陷、哪些方面存在问题，仍面临众多未知数。若能在实际生产之前对产品、工艺和流程等进行全面测试和验证，是否会有所裨益？
数字孪生技术给予了我们肯定的答案。数字孪生技术可将产品的设计过程进行虚拟仿真，提前发现产品缺陷并及时进行优化与改进，大大减少现实生产中物理原型制作和测试的次数，降低研发成本的同时大幅缩短开发所需时间。
展望未来，数字孪生技术将从哪些方面取得突破？新技术的不断涌现又将如何推动世界向前发展，如何影响我们的日常生活与工作？
1.多领域融合
随着物联网、云计算、大数据等技术的不断发展，数字孪生技术有望在未来实现更广泛的应用和更深层次的集成，为社会的发展注入新的活力和动力。
从应用场景上看，数字孪生技术的应用范围有望不断扩大，或将在更多领域发挥重要作用。例如，在医疗健康领域，数字孪生可以用于构建患者的个性化治疗规划、虚拟手术模拟等；在航空航天领域，数字孪生也适用于模拟飞行器的性能和优化设计方案等。
从技术融合上看，未来数字孪生技术或将更加集成化，有望与大数据、云计算等技术与系统进行集成，以追求物理实体更精准的预测和优化。
图 5多领域融合（源于网络）
2.实时性增强
得益于传感器技术和网络技术的发展，数字孪生模型的实时性将得到显著提升，更好地反映物理实体的实时状态。
这也意味着数字孪生模型有望和物理世界进行更紧密地交互，形成一个快速的反馈循环，或将有助于实现物理世界与数字世界的更深层次融合，提高系统的整体性能和适应性。
具体来看，在智能制造、智慧城市等实际应用场景中，环境条件总是在不断变化之中。若数字孪生能进一步增强实时性，以便快速适应各种变化，这种实时性与交互性的提升，或将提供更加流畅的系统运行和更加真实的用户体验，对推动数字化转型与智能化升级的作用可见一斑。
3.标准化建设：
随着数字孪生技术的不断成熟和普及，数字孪生技术需要建立统一的标准，而标准化的建立是一个挑战。
长期以来，我国积极推动数字孪生体的标准化工作，《城市数字孪生标准化白皮书（2022版）》的发布为城市数字孪生技术的标准化提供了指导和建议。放眼世界，ISO和IEC等国际标准化组织也在加强合作，共同推动数字孪生标准的制定和实施。
未来，数字孪生技术的标准化建立有望进一步加速，促进不同系统之间的交互和数据共享。
4.安全性提升
随着数字孪生技术的应用范围扩大，数据安全和隐私保护逐渐成为了市场广泛关注的焦点。
数字孪生技术创建与维护物理实体的虚拟副本，往往需要收集并汇总大量的实时数据，如个人身份信息、地理位置、操作习惯等私密信息均包含在内。因此，如何确保数据的安全和隐私，成为了数字孪生技术发展中不可忽视的一点。
为了应对该挑战，数字孪生技术需聚焦加密算法、访问机制等领域，以便用户在享受数字孪生技术带来的便利与效率提升的同时，无需担忧数据安全与隐私泄露。
综上所述，数字孪生技术是智能制造领域的一项前沿技术，在智能制造新时代的开启中扮演着关键角色。
它不仅仅是产品或设备的数字化副本，还包括车间、工厂，甚至整个供应链的数字化映射。通过对数字孪生技术的深入应用，可以实现对整个供应链的精准控制、优化和预测，提高生产效率和产品质量，对于推动智能制造的转型和升级具有至关重要的作用。
未来，随着物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的不断成熟与发展，数字孪生技术也将不断扩展其应用范围和深度，继续深化与智能制造、智慧城市、能源管理等领域的融合，力求成为推动制造业转型升级和高质量发展的重要力量，为制造业的数字化转型提供强有力的技术支撑。
数字孪生是制造业的未来，而这个未来已经来临，让我们一起拥抱数字孪生，共同期待一个更加智能化、高效化的制造业新时代！
参考文献
[1] 张新生.基于数字孪生的车间管控系统的设计与实现[D].郑州大学,2018
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