什么是数字孪生

1.什么是数字孪生？

数字孪生又称数字化双胞胎系统，它是指以数字化的方式拷贝工厂的物理对象，模拟工厂在现实环境中的行为，对产品的设计、工艺、制造，乃至整个工厂进行虚拟仿真，从而提高产品研发、制造、生产效率，提前预判出错的可能，实现节约生产成本，降低生产损耗的目的。数字孪生最大的特点不是拷贝物理对象，而是拷贝的物理对象会根据物理对象的实时状态进行复现，可以对物理对象的运行数据反馈进行模拟，避免对本体影响的同时达到降本增效的目的。

工业制造作为数字孪生的主战场，对生产场景的影响不言而喻。

以生产线为例，在生产线上做数字孪生，首先要进行设备同步，就是以真实的生产线为基础，搭建一套虚拟生产线，通过对真实生产线上每一台设备进行3D建模，并将建好的3D建模放置到场景内，实现真实生产线和虚拟生产线一一对应。然后进行数据同步真实的生产线，通过PLC驱动，让设备实现一些既定动作。我们通过采集PLC的数据来驱动虚拟环境下相应的设备模型进行同样的既定动作，实现真实设备与虚拟设备的实时联动。有了这些，我们可以实现生产线的实时监控了，监控人员只需要坐在控制室内看着虚拟生产线就能实时了解到真实的车间工作状态，不需要到车间内进行巡视检查。管理者通过虚拟生产线的3D可视化效果更能清晰的了解到真实生产线的实际生产情况，

比如人员管理，监控室可以直观的看到车间里的工人是否在自己的工位上，正在执行什么任务，工作效率怎么样，连续去工作多长时间了，什么人在什么时候出现在了危险工作区，对讲机一呼叫就可能让一个人脱离生命危险。

比如设备管理，整个车间的设备运行状况一目了然，哪一个加工中心连续运营了三天，哪一台车床经常处于闲置状态，哪个齿轮箱的高速轴承温度超标，哪个电机的振动超标，这些数据都能进行实时分析，准确预判设备的运行状态，系统会将有问题的部位通过3D可视化手段直观的表现出来，非常方便管理人员排查隐患。

比如运维管理，管理人员直观看到生产线的工作状态报告上面清晰列明了设备排查是否饱满，是否有工序堆积，堆积的原因是什么，是否有加工单元闲置，闲置的原因是什么，人流、物流、AGV是否冲突，哪里交通容易拥堵，使现场人员更方便高效的实现生产线的。

比如项目管理，每个项目订单订了多少个产品，每个产品的部件分配到了哪个工序，在哪个设备上加工的，生产进度怎么样，提前完成的是否做好了防护和入库，排产延期的具体原因是什么。有了这些一手信息，才能让企业经营者更准确的做决策。

比如，能源管理系统可以整合出整个车间的生产消耗，如焊条、刀具、润滑油等耗材消耗；管材，板材，型材等原材料消耗；水，电，气的能源消耗；污水，废气，粉尘等污染物排放。形成损耗和排放的综合数据分析报告，管理者对成本一目了然。

比如生产调度预判，根据输入到系统的排产表，数字孪生能够提前预判生产线下一天的产能，并生成一天产能所需的耗材清单及数量。随着系统的不断自我学习，预判功能会越来越准确，可随着排产表的不断变化，预判出一周半个月或者一个月的产能，帮助决策者进行生产调度管理。

2.数字孪生的意义

数字孪生对于产业企业来说，至少具备以下三个重要意义：

（1）全流程可视化，这个是数字孪生技术的核心价值之一。

可视化在工业生产场景下有重要的价值，而且能够全面贯穿整个工业生产过程，包括设计、工艺、制造、运维等环节，这为提升管理运营效率有重要影响，对于后续的流程改进也有重要的意义。

以腾讯的“透明工厂”项目为例，通过数字孪生技术，可以全面实现对生产、工艺、检测、质量、成本等数据的自动采集与集成，基于“虚幻”引擎来完成3D动态建模，从而实现公司级大数据的全面可视化。

（2）预测，预测对于生产场景的影响是不言而喻的，甚至有的专家会用预测来定义数字孪生技术，比如GE Digital工业互联网创新与生态发展负责人Robert Plana认为，数字孪生最重要的价值是预测。

以腾讯的智慧城市“穗智管”案例为例，通过构建与物理城市映射融合的数字孪生城市，成为了管理者的重要参考，能够对整个城市运行体征和事件进行监测和预测，从而实现“一网统管、全城智治”。

（3）全生命周期过程映射，这个过程映射包括了很多内容，重点是仿真，包括产品设计仿真、加工工艺仿真、生产过程仿真、产品的维修维护仿真等，可以看出，数字模型的仿真分析完成了全生命周期的贯穿。

通过仿真来确保与现实物理系统的一致性，这样才能基于数字模型来做出正确的预测，从而为后续的策略制定奠定依据。

以腾讯对自动驾驶虚拟仿真为例，基于数字孪生技术，构建了一个虚拟现实世界道路的仿真环境，包括真实的道路、天气、路况、以及可能出现的突发事件等，借助于这个仿真场景，自动驾驶汽车只需要在这个数字训练场上路训练，就可以为攻克自动驾驶测试验证的难题，提供场景支撑，在提升了安全性、训练效率和规模的同时，也节省了时间、资金、资源等各项成本。

3.数字孪生的发展

早期在谈到数字孪生技术的时候，往往离不开三个组成部分，分别是物理空间的实体产品，虚拟空间的虚拟产品，物理空间和虚拟空间的信息交互接口。

随着产业领域在生产场景下开始应用数字孪生技术，数字孪生的概念也在不断得到丰富，其中重点涉及到产品数字孪生、生产工艺流程数字孪生和设备数字孪生，这完整地再现了整个企业，这也为后续的虚实融合和虚实联动，提供了可能性，所以现在也认为，数字孪生是智能制造的奠基石。

数字孪生发展到今天，需要有两个核心的技术基础，一个是建模，另一个是仿真，对于要进入数字孪生的企业来说，是否在建模和仿真领域有技术积累，就成为了能否进入数字孪生领域的入场券。

放眼国内的互联网科技企业，在建模和仿真方面有丰富积累的企业并不算多，其中腾讯借助于在游戏领域的技术积累，尤其在数据和引擎方面的优势，目前在数字孪生领域占有了一个重要的位置。

数字孪生技术并不是孤立的，需要云计算、物联网、AI感知、仿真等多个技术体系的综合运用，这才能够使得数字孪生技术形成一个可行的落地方案。

之前在知乎探讨云原生技术的时候，我就以腾讯云为例，全面描述了腾讯的云原生解决方案，从生产场景的实际应用情况来看，腾讯云的效果还是不错的，这也是对于腾讯持续在产业互联网发力的一个正向回应。

作为产业互联网的重要基础，云计算的重要性正在不断得到加强，基于云计算强大的算力，以及云计算本身的数据整合能力，会为人工智能领域的创新带来强有力的支撑，而数字孪生本身就需要采用大量的人工智能技术，从这个角度来看，目前腾讯正在不断完善自己的产业互联网技术版图。

4.数字孪生的应用场景

可以说数字孪生在产业领域具有普遍适应性，在产品设计、产品工艺、产品制造、工程建设、装备制造等领域，都有广阔的应用前景。

借助于数字孪生技术，可以全面引爆产业领域的创新，我认为数字孪生技术将会全面提升广大中小企业的创新能力，而在这方面，腾讯有着丰富的经验积累，比如在云原生领域，腾讯云就能够让技术力量薄弱的中小微团队，可以顺利完成技术平台的搭建和应用。

借助于产业互联网，数字孪生技术不仅仅是大型企业的专利，很多中小微企业也有机会来运用数字孪生技术，从而提升整个产业领域的创新能力。

5.数字孪生的前景

（1）数字孪生的技术发展前景

近些年来，很多国家都制定了制造业升级转型战略，这些战略的核心目标之一就是构建CPS（物理信息系统），实现物理工厂和信息世界的虚拟工厂交互融合，而数字孪生则是实现这一目标的重要方案，而且相对于CPS更注重验证不同，数字孪生更注重工程应用的优化，能够全面降低复杂工程的建设费用。

相信随着产业结构升级的持续推进，未来数字孪生技术将有更广泛的应用，这也会推动更多的科技公司和产业企业来基于数字孪生完成更多的创新。

（2）数字孪生的产业应用前景和创新前景

国内目前在智能制造领域和工程建设领域，已经逐渐展开了数字孪生的应用，随着数字孪生技术体系的逐渐发展和成熟，会有更多的行业场景将通过搭建数字孪生应用来实现降本增效。

数字孪生也是我重点关注的创新领域，在近两年我也完成了一些数字孪生技术的积累，计划在2022年带领团队在数字孪生领域做一些创新尝试，主要的切入点将是智能制造领域，一方面我在智能制造领域有一些积累，借助于科研场景的优势，在智能制造领域已经做了一些创新，另一方面智能制造本身的创新空间非常大，这也会为组里的研究生同学们提供更多的创新点。

数字孪生技术作为一个新兴的技术方向，未来在产业互联网时代会有大量的应用，目前不论是对于本科生、研究生来说，还是对于在产业领域进行创新的职场人来说，掌握数字孪生技术都会给自己带领新的发展空间。

对于产业领域的企业来说，要想在工业互联网时代获得自己的一席之地，一定要重视新技术的运用，其中数字孪生技术不仅能够为企业的生产和管理带来更高的效率，同时也会降低创新的成本，而在选择自己的数字孪生解决方案时，要考虑到数字孪生平台的历史积累和成功案例，在这方面可以重点考虑一下腾讯的解决方案。