产品数字孪生体的内涵、体系结构及其发展趋势（一）

    3 产品数字孪生体与数字纽带

    伴随着产品数字孪生体，美国空军研究实验室和NASA也同时提出了数字纽带（Digital Thread，也译为数字主线、数字线程、数字线、数字链等）的概念。Kraft提出的数字纽带是一种可扩展、可配置的企业级分析框架。在整个系统的生命周期中，通过提供访问、整合以及将不同/分散数据转换为可操作信息的能力来通知决策制定者。数字纽带可无缝加速企业数据-信息-知识系统中的权威/发布数据、信息和知识之间的可控制相互作用，并允许在能力规划和分析、初步设计、详细设计、制造、测试以及维护采集阶段动态实时评估产品在当前和未来提供决策的能力。数字纽带也是一个允许可连接数据流的通信框架，并提供一个包含生命周期各阶段孤立功能视图的集成视图。数字纽带为在正确的时间将正确的信息传递到正确的地方提供了条件，使得产品生命周期各环节的模型能够及时进行关键数据的双向同步和沟通。“工业4.0”术语编写组的定义为：利用先进建模和仿真工具构建的，覆盖产品全生命周期与全价值链，从基础材料、设计、工艺、制造以及使用维护全部环节，集成并驱动以统一的模型为核心的产品设计、制造和保障的数字化数据流。

    通过分析这些概念可以发现，数字纽带为产品数字孪生体提供访问、整合和转换能力，其目标是贯通产品生命周期和价值链，实现全面追溯、双向共享/交互信息、价值链协同。由此可见，产品数字孪生体是对象、模型和数据，而数字纽带是方法、通道、链接和接口。通过数字纽带交换、处理产品数字孪生体的相关信息。产品数字孪生体与数字纽带的关系如图4所示。

    图4 产品数字孪生体与数字纽带的关系图

    以产品设计和制造过程为例，建立如图5所示的融合了数字孪生体和数字纽带的应用示例。仿真分析模型的参数可以传递到产品定义的全三维模型，再传递到数字化生产线加工/装配成真实的物理产品，继而通过在线的数字化检验/测量系统反映到产品定义模型中，进而又反馈到仿真分析模型中。通过数字纽带实现了产品生命周期阶段间的模型和关键数据双向交互，使得产品生命周期各阶段的模型保持一致，最终实现了闭环的产品全生命周期数据管理和模型管理。

    图5 融合了数字孪生体和数字纽带的应用示例

    在具体应用上，美国F35战斗机的设计与生产就是采用了数字孪生体和数字纽带技术实现了前所未有的工程设计与制造的连接，它意味着设计阶段产生的3D精确实体模型可以被用于加工模拟、NC编程、坐标测量机检测、模具/工装的设计和制造等。同时，激光测量借助数字纽带，允许“虚拟工人”在“物理工人”之前，识别潜在的干扰问题。这些相同的模型也被ALGS（Autonomic Logistics Global Sustainment）用于后续培训和运维相关配套系统的开发。另外，3D数字纽带的数据存储在产品数据管理PDM系统中，世界各地的合作伙伴和供应商都可无缝使用。这也是单一数据源，通过统一的数据，不仅可以实现产品设计与生产制造的无缝连接，降低现场出现工程更改的次数，提高研制效率，实现数据的高效组织和集成管理；也可以实现协同的仿真和分析，上下游企业可以一起进行仿真和分析，从而提高效率，减少返工。

    4 信息物理系统与数字孪生体

    2006年，美国国家科学基金会NSF首先提出了信息物理系统CPS（Cyber-Physical Systems）的概念，也可译为网络-实体系统，或信息物理融合系统。信息物理系统被定义为由具备物理输入输出且可相互作用的元件组成的网络。它不同于未联网的独立设备，也不同于没有物理输入输出的单纯网络。2013年，德国提出了“工业4.0”，其核心技术就是Cyber-Physical Production System（信息物理生产系统）。信息物理系统是一个综合计算、通信、控制、网络和物理环境的多维复杂系统，以大数据、网络与海量计算为依托，通过3C（Computing、Communication、Control）技术的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务。CPS能够从物理空间（Physical Space）、环境、活动大数据的采集、存储、建模、分析、挖掘、评估、预测、优化和协同，并与对象的设计、测试和运行性能表征相结合，使网络空间（Cyber Space）与物理空间深度融合、实时交互、互相耦合、互相更新；进而通过自感知、自记忆、自认知、自决策、自重构和智能支持促进工业资产的全面智能化。在中国制造2025中，信息物理系统被认为是支撑两化深度融合的综合技术体系，是推动制造业与互联网融合发展的重要抓手。CPS把人、机、物互联，实体与虚拟对象双向连接，以虚控实，虚实融合。CPS内涵中的虚实双向动态连接，有两个步骤，1）虚拟的实体化，如设计一件产品，先进行模拟、仿真，然后再制造出来；2）实体的虚拟化，实体在制造、使用、运行的过程中，把状态反映到虚拟端去，通过虚拟方式进行监控、判断、分析、预测和优化。

    CPS通过构筑信息空间与物理空间数据交互的闭环通道，能够实现信息虚体与物理实体之间的交互联动。数字孪生体的出现为实现CPS提供了清晰的思路、方法及实施途径。以物理实体建模产生的静态模型为基础，通过实时数据采集、数据集成和监控，动态跟踪物理实体的工作状态和工作进展（如采集测量结果、追溯信息等），将物理空间中的物理实体在信息空间进行全要素重建，形成具有感知、分析、决策、执行能力的数字孪生体。因此，从这个角度看，数字孪生体是CPS的核心关键技术。