【数字孪生】【CPS】赛博物理系统CPS和数字孪生介绍

2019 年 1 月 27 日 产业智能官

工业4.0是基于CPS的工业革命。CPS是把人、机、物物联，实体与虚拟对象双向连接，以虚控实，虚实融合。其理念适用于企业全价值链和能源、交通等系统。能够实现敏捷性和柔性、少人化工厂生产。

CPS是虚实融合。“实”是指人、机、物，而虚是会么呢？如果对“虚”的概念的探讨是本文重点。如果这方面模糊，就会造成对工业4.0的理解不全面。早在10余年前，欧美国家就把“虚”的部分思考清楚了，但是他们不会轻易把其中精髓告诉后发国家。所以，我们务求要把这个问题探讨清楚。

在“虚”的内容里，“数字孪生体（Digital Twin）”非常重要。它原本是美国军方在航天系统的研究当中提出来的，现在已经扩展到多种研发领域。

至关重要的数据中心

数字孪生体是实体的虚拟的数字化的映射对象。它是从设计/仿真，延伸到产品全生命周期。CPS内涵中的虚实双向动态连接，有两个步骤，一是虚拟的实体化，如设计一件东西，先进行模拟、仿真，仿真再制作出来；二是实体的虚拟化，实体在使用、运行的过程中，把状态反映到虚拟端去，通过虚拟方式进行判断、分析、预测和优化。

它有如下主要特点。一是机器可读。制造领域技术数据繁多而杂乱，有图纸、BOM、工序、数控程序、设备配合参数，而Digital Twin首要解决的是单一数据源，做到数控机床、机器人能否从它那里直接读到有用信息。二是Digital Twin可以直接对设计的“理论值”和加工的“实测值”进行直接比较和分析。三是Digital Twin可用于生产模拟，可以对自动或手工作业进行模拟，包括装配、机器人焊、锻铸和车铣刨磨等。四是Digital Twin是价值网络协作的基础，包括厂际、供应链上下游之间、乃至全球范围的协作企业。

数字孪生体的全生命周期与RAMI4.0相一致。RAMI4.0有一个产品周期的维度，在此维度中，提法与以前略有区别。它分为两个阶段，一个是型号（TYPE）阶段，一个是实例（Instance）阶段，每个阶段有研发、使用和维护等环节。产品的生命周期是从使用开始，要研究客户使用产品，与此同时进行型号（TYPE）的设计，工程、工艺的设计，然后进行工艺仿真，到使用维护的仿真，等有了订单后，再进行定制化，改变TYPE，然后再进行制造、检测、培训、使用，这样构成完整的产品的全生命周期。

因此，数字孪生体是产品全生命周期的数据中心，其本质的提升是实现了单一数据源和阶段间信息贯通。它从概念设计贯通到产品设计、仿真、工艺及后面的使用和维护。

数字孪生体也是全价值链的数据中心。其本质的提升在于无缝协同，而不只是共享信息，如与上下游进行装配的仿真、在客户的“虚拟”使用环境中测试/改进产品等。如发动机制造商可以下游的汽车厂商的环境中，测试自己的发动机产品。这就是一种全价值链的协同。

实现方式

数字孪生体的实现方式，分为四步。第一步是3D设计+PMI（Product Manufacturing Information），PMI包括了物理产品的几何尺寸、公差，以及3D注释、表面质地指定、完工要求、工艺注释、材料指定和焊接符号等。第二步，在3D设计+PMI的基础上，实现MBOM（Manufacture BOM，即制造BOM）+BOP（BOM-Bill of Process，即工艺设计清单）。第三步，使用部分则实现Product Memory，即产品档案，包含技术追溯、物料追溯、测量结果等；第四步实现O&S（即Operations and Sustainment，即使用和维护），Operations这里主要是指操作，Sustainment既包括维修、保养，也包括升级和改造。

综上，可以发现DigitalTwin的实现方法有这样几个特点：首先，它主张单一数据源（UnifiedRepository，UR）；其次，三维设计时标注PMI，然后建立BOP，写入产品档案；最后，ProductMemory要能够实现除标准件之外的所有件都可以追溯。这要依靠物流体系的追溯方法。

举例来说，美国F35战斗机的设计与生产，就是采用了融合了Digital Twin的数字纽带技术的方法。它实现了整条供应链的协同，很多厂商在一起协同设计研发，单一数据源是最佳方式。它在生产过程中，所有不同厂商的车床的数据直接从Digital Twin读取。这就是单一数据源的意义，通过统一的数据，实现协同的仿真和分析，上下游可以一起进行仿真和分析。从而提高效率，减少返工。3D数字纽带的数据存储在PDM系统中，世界各地的合作伙伴和供应商都可无缝使用。激光测量借助数字纽带，允许“虚拟工人（virtual mate）”在“物理工人（physical mate）”之前，识别潜在的干扰问题。

对智能产品和智能工厂颠覆作用

未来的智能产品，分为两个，一个是实体，一个是实体的数字孪生体。智能可以在产品的实体中，也可以放到数字孪生体上去。实体而孪生体之间，采用物联的手段。在孪生体这边，除了产品档案，更多的是使用/维护的方法，还可以附加更多功能。

孪生体概念出现后，对产品使用有重大颠覆作用。如家电行业中的“智能家”框架体系。消费者买来空调、电饭褒，要想实现即时使用，需要把家电产品的实体和产品的孪生体物联好。它们这间的物联是原生的，其关键是数字孪生体要与智能家的总体框架体系联接。

智能工厂也是这个道理，它首先也要有一个框架体系。这个框架体系内，可以想象有许多插槽，可以接入孪生体机器人或其他孪生体设备，而相应的物理位置也要接入物理设备。这其中，孪生体上在框架体系中的接入是关键，美国正在制订此领域的相关标准。

举例来说，Windows系统可以接入有很多设备，如打印机，打印机是实体，可以通过打印驱动程序操作打印机，这种方法比目前操作数控车床的方法要高明。打印驱动程序就是相当于数字孪生体。

与数字纽带的关系

Digital Thread（数字纽带，也译为数字线程、数字主线等）。数字纽带为数字孪生体提供访问（access）、整合（integrate）和转换（transform）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，数字孪生体是对象、数据，而数字纽带是方法、通道、链接、接口。通过数字纽带交换、处理数字孪生体的相关信息。

美国国家标准与技术研究院（NationalInstitute of Standards and Technology，NIST），在进行的Digital Thread for Smart Manufacturing项目，研究聚焦在产品生命周期（特别是工程、制造和质量）之间信息交互的标准和实现。其主要研究内容有：

MBE、PMI有效性和一致性测试（MBE PMI Validation and Conformance Testing）；设计到制造和检测（Designto Manufacturing and Inspection），各CAD→STEP→CAM/CMM；下游CAM和协同测量过程的有效性（Validation for DownstreamComputer-Aided Manufacturing and Coordinate Metrology Processes）；公差标准和相关建模挑战（Tolerancing Standards and AssociatedModeling Challenges）；测试数字纽带（Testing the Digital Thread）。

目前美国实施的是从设计、仿真到制造的贯通，后续的使用阶段尚未实施。

CPS中的作用

CPS要实现虚实融合。第一层是实体，实体要有智能。实体智能就是第二层的。实体智能向上联接要采用物联的方法，物联就是第三层。物联到实体孪生体（Physical DTwin），这就是第四层，它是类似于驱动程序的一层，实现控制实体和让实体向自己进行信息反馈。实体孪生体（Physical DTwin）之上是第五层，即系统孪生体（System DTwin）。生产线和设备系统不可能分散工作，必须要统一于系统孪生体之下。再上面的第六层是产品孪生体（Product DTwin）。三个孪生体之间用数字纽带联系起来，机器人可以直接使用产品孪生体的控制参数。数控车床可以直接使用数字孪生体里面的数控程序。产品孪生体（Product DTwin）之上是第七层：接口层。这一层的供应商与客户通过产品孪生体（Product DTwin）层与其他层建立关联。

举例来说。若要打印一份纸质文件，需要首先在WORD中编辑好，编辑好之后就已经建立起一份数字形式的文件，这个数字形式就像是孪生体。而纸质文件就是生产出来的产品。打印机则是生产设备，但是操作系统内必须要安装驱动程序。未来的工业4.0就是要实现这样一种非常简单的生产模式。

WORD要想插入新的对象，微软称之为嵌入式OLE技术，利用它，可以在WORD文本内嵌入EXCEL数据。这时会有专门的程序去处理它的显示和打印。将来可以数字纽带技术，实现上下游的协同有类于此。如，汽车制造商在使用发动机提供商的某种型号产品之前，在仿真时，可以直接调用发动机的数据和功能。做模拟时，可以不用发动机制造商的图纸，却能够协作调试。

原创：丁德宇 e制造本文原载《科技新时代 e制造》5月刊；转载请注明作者和出处。

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