产品数字孪生体的内涵、体系结构及其发展趋势（一）

    0 引言

    20世纪中叶以来，随着微电子、自动化、计算机、通讯、网络、信息、人工智能等高新技术的迅猛发展，掀起了以信息革命为核心的新技术革命浪潮。数字化制造就是在这样一个背景下应运而生，广义的数字化制造技术是指将信息技术应用于产品设计、制造以及管理等产品全生命周期中，以达到提高产品研发效率和质量、降低研发成本、实现快速响应市场的目的所涉及的一系列活动总称。数字化制造一般包括数字化设计、数字化工艺、数字化加工、数字化装配、数字化管理、数字化检测和数字化试验等。

    从20世纪50年代的数控加工开始，数字化制造技术的发展大致经历了四个主要阶段：1）以CAD/CAPP/CAM等计算机辅助技术为代表的第一代数字化制造技术（从20世纪60年代至80年代初期）：即单项技术和局部系统的应用阶段。该阶段以数控技术、CAD、CAPP、CAM、CAE、CAT、成组技术、MRP/MRPⅡ等单项技术及柔性制造系统为主要内容。在该阶段中，人们开始以计算机作为主要技术工具和手段，进行产品设计、分析、工艺规划与制造，并处理各种信息，以提高产品研发效率和质量。2）以集成制造技术为代表的第二代数字化制造技术（20世纪80年代至90年代前期）：即由信息集成、功能集成和过程集成构成的企业级集成应用阶段。该阶段以计算机集成制造（CIMS）为代表，通过信息和过程集成来解决单元技术发展造成的信息孤岛问题。同时在该阶段，为减少串行设计方法带来的大量返工问题，美国国防分析研究院提出了并行工程的思路，随后出现了虚拟制造等制造模式。3）以网络化制造技术为代表的第三代数字化制造技术（20世纪90年代至21世纪10年代初期）：该阶段以敏捷制造、供应链管理、电子商务为主要内容的企业间集成应用阶段，通过产品设计制造的协同来提高制造业的竞争力。4）以智能制造技术为代表的第四代数字化制造技术（21世纪10年代至今）：以实现高效、优质、柔性、清洁、安全生产，提高企业对市场快速响应能力和国际竞争力。智能制造的概念诞生于20世纪80年代，但在该阶段才得到广泛重视和快速发展，2015年作为我国未来十年实施制造强国战略的行动纲领和未来三十年实现制造强国梦的奠基性文件的《中国制造2025》明确提出：“智能制造是新一轮科技革命的核心，也是制造业数字化、网络化、智能化的主攻方向”。传统的数字化制造技术主要强调产品全生命周期的数字化技术的应用，并没有特别强调人工智能技术的应用。应该说，智能制造技术的提出和发展，已经超出了数字化制造技术的范畴，它是制造技术与数字化技术、智能技术及新一代信息技术的融合。同时在该阶段出现了“工业4.0”（2013年德国联邦教研部与联邦经济技术部在汉诺威工业博览会上提出），“工业4.0”的内涵是利用信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS），将生产中的供应、制造和销售等信息数据化、智慧化，最后达到快速、有效、个性化的产品供应，其本质是通过充分利用赛博物理系统CPS，将制造业推向智能化的转型。

    从上述数字化制造技术的发展历程来看，数字化制造技术的关键问题之一是数据的管理问题，从最初的产品模型数据管理发展到车间现场的制造数据乃至整个产品全生命周期的数据管理。应该说，随着基于模型的定义MBD、产品数据管理PDM、模型轻量化技术的日趋成熟，目前产品模型的数据表达日趋完善，而产品制造过程和产品服务（product service）过程的数据管理问题日益凸显出来，尤其是随着国内外制造企业研发生产过程中的自动化、数字化、智能化水平的逐步提高，以及大数据、物联网、移动互联网、云计算等新一代信息与通信技术的快速普及与应用，制造数据来源和数据量剧增，因此，如何实现产品全生命周期中多源异构动态数据的有效融合与管理，并在此基础上实现产品研发生产中各种活动的优化决策，已经成为工程中亟待解决的问题，在此背景下，数字孪生体（Digital Twin）逐渐引起国内外学者关注。

    本文首先回顾了数字孪生体的产生背景，对数字孪生技术、数字孪生体和产品数字孪生体等概念及内涵进行了系统阐述，在此基础上建立了产品数字孪生体的体系结构，并给出了产品数字孪生体在产品设计阶段、制造阶段和服务阶段的实施途径，最后指出了产品数字孪生体的发展趋势。

    1 数字孪生体的产生与演化

    “孪生体/双胞胎（twins）”概念在制造领域的使用，最早可追溯到美国国家航空航天局NASA的阿波罗项目。在该项目中，NASA需要制造两个完全一样的空间飞行器，被留在地球上的飞行器被称为孪生体（twin），被用来反映（或作镜像）正在执行任务的空间飞行器的状态/状况。在飞行准备期间，被称为孪生体的空间飞行器被广泛应用于训练；在任务执行期间，利用该孪生体在地上的精确仿太空模型中进行仿真试验，并尽可能精确地反映和预测正在执行任务的空间飞行器的状态，从而辅助太空轨道上的航天员在紧急情况下做出最正确的决策。从这个角度可以看出，孪生体实际上是通过仿真实时反映真实运行情况的样机或模型。它具有两个显著特点：1）孪生体与其所要反映的对象在外表（指产品的几何形状和尺寸）、内容（指产品的结构组成及其宏观微观物理特性）和性质（指产品的功能和性能）上基本完全一样；2）允许通过仿真等方式来镜像/反映真实的运行情况/状态。需要指出的是，此时的孪生体还是实物。

    2003年，Michael Grieves教授在密歇根大学的产品全生命周期管理课程上提出了“与物理产品等价的虚拟数字化表达”的概念，并给出定义：一个或一组特定装置的数字复制品，能够抽象表达真实装置并可以此为基础进行真实条件或模拟条件下的测试。该概念源于对装置的信息和数据进行更清晰的表达的期望，希望能够将所有的信息放在一起进行更高层次的分析。虽然这个概念在当时并没有称为数字孪生体（在2003-2005年被称为“镜像的空间模型（Mirrored Spaced Model）”，2006-2010年被称为“信息镜像模型（Information Mirroring Model）”），但是其概念模型却具备数字孪生体的所有组成要素，即物理空间、虚拟空间以及两者之间的关联或接口，因此可以被认为是数字孪生体的雏形。2011年，Michael Grieves教授在其书《几乎完美：通过产品全生命周期管理驱动创新和精益产品》中引用了其合作者John Vickers描述该概念模型的名词——数字孪生体（Digital Twin），并一直沿用至今。其概念模型如图1所示，包括三个主要部分：1）物理空间的实体产品；2）虚拟空间的虚拟产品；3）物理空间和虚拟空间之间的数据和信息交互接口。
 

    图1 数字孪生体的概念模型

    这个概念模型极大拓展了阿波罗项目中的“孪生体”：1）将孪生体数字化，采用数字化的表达方式建立一个与产品实体在外表、内容和性质一样的虚拟产品；2）引入虚拟空间，建立虚拟空间和实体空间的关联，彼此之间可以进行数据和信息的交互；3）形象直观地体现了虚实融合，以虚控实的理念；4）对该概念进行扩展和延伸，除了产品以外，针对工厂、车间、生产线、制造资源（工位、设备、人员、物料等），在虚拟空间都可以建立相对应的数字孪生体。

    但是，该概念和模型在2003年提出时并没有引起国内外学者们的重视，主要是因为：1）当时在生产过程中收集产品相关信息的技术手段有限，大多是采用人工方式和基于纸质文件，尤其是难以实现生产数据的在线实时采集；2）物理产品的数字化描述尚不成熟，相关的软硬件无法支持在虚拟空间中精确定义和描述实体产品的相关属性和行为；3）当时的计算机性能和算法难以实现对大数据的实时处理，移动通信技术也不够成熟，虚实之间的数据实时传输难以实现。

    2011年之后，数字孪生体迎来了新的发展契机。2011年数字孪生体由美国空军研究实验室提出并得到了进一步发展，目的是解决未来复杂服役环境下的飞行器维护问题及寿命预测问题。他们计划在2025年交付一个新型号的空间飞行器以及和该物理产品相对应的数字模型即数字孪生体，并数字孪生体在两方面具有超写实性：1）包含所有的几何数据，如加工时的误差；2）包含所有的材料数据，如材料微观结构数据。2012年，美国空军研究实验室提出了“机体数字孪生体”的概念：机体数字孪生体作为正在制造和维护的机体的超写实模型，是可以用来对机体是否满足任务条件进行模拟和判断的、由许多子模型组成的集成模型，如图2所示。

    图2 机体数字孪生体的组成元素