【数字孪生】数字化孪生“双胞胎”技术及应用

2018 年 8 月 12 日 产业智能官

数字化双胞胎技术及应用（1）：概述

数字化双胞胎（Digital Twin）在2017和2018年连续两年被Gartner评为影响未来的十大技术之一，众多工业软件及工业自动化厂商也积极的围绕数字化双胞胎的理念和技术体系进行战略布局。本文将结合最新的技术发展趋势和应用案例，对数字化双胞胎技术及应用进行介绍，使读者对于数字化双胞胎有个整体的理解。

一、数字化双胞胎的定义和分类

1.1 数字化双胞胎的定义

图1 数字化双胞胎的四个关键要素

数字化双胞胎的概念最早由密西根大学的Michael Grieves博士于2002年提出（最初的名称叫“Conceptual Ideal for PLM”），至今有差不多有15年多的历史。该教授与NASA有长期的合作，在航天领域，航天器的研发和运营必须依赖于数字化技术，在研发阶段，需要降低物理样机的成本；在运营阶段，需要对航天器进行远程状态监控和故障监测。这也是后来NASA把数字化双胞胎作为关键技术的原因。

在最初提出这个概念的时候，就包含了四个关键要素（如图1所示）：

真实空间：即真实存在的产品系统
虚拟空间：通过数字化的手段所产生的产品系统的模型和镜像
从真实空间到虚拟空间的数据传输：研发阶段的样机和制造、运营阶段的产品都可以向虚拟模型反馈数据
从虚拟空间到真实空间的信息和流程：在研发和生产阶段，虚拟模型驱动样机和产品的生产；在运营阶段，虚拟模型可以反映和预测真实产品的运营状态，也可以驱动真实产品的更新（包括软件的更新）

我们来看看关于数字化双胞胎的两个典型定义，首先是Michael Grieves教授的定义：

数字化双胞胎：是一组虚拟模型，其完整的描述了潜在或实际存在的产品从微观到宏观的信息。理想情况下，所有从实际产品测量到的信息都可以从数字化双胞胎获得。数字化双胞胎分成两种类型：数字化双胞胎原型和数字化双胞胎实例。

Grieves教授的定义强调数字化双胞胎是虚拟模型，此模型完整的反映了真实产品的信息。他把数字化双胞胎分为数字化双胞胎原型和数字化双胞胎实例：数字化双胞胎原型产生于真实产品存在之前，数字化双胞胎实例产生于真实产品存在之后。

第二种数字化双胞胎的定义来自于美国国防采办大学：

数字化双胞胎：是在数字化主线的支持下，充分利用数字模型、传感器信息、输入数据，对实际系统进行集成的、多物理学科、多尺度、概率性的仿真，从而反映并预测相对应的实体产品的全生命周期的活动和性能。

美国国防采办大学的定义强调数字化双胞胎的数据来源于数字模型、传感器数据和输入数据，是一种多学科、多尺度和概率性的仿真，可以反映或预测实际产品的活动和性能。

1.2 数字化双胞胎的分类

数字化双胞胎分类的方法可以有很多种，但是有两个基本的分类维度必须考虑，一是仿真的对象，二是应用的阶段。

按照仿真的对象不同，我们可以把数字化双胞胎分为产品系统数字化双胞胎和生产系统数字化双胞胎，不同行业和企业的产品系统和生产系统不同，数字化双胞胎也各不相同。在产品数字化双胞胎中，不同的模型仿真的学科领域不同，可能包括力学、热学、声学、光学、电磁学等等。在生产数字化双胞胎中，不同的模型仿真的工艺和设备不同，可能包括装配工位、机器人工位、数控加工工位，也可能是对于整条产线、整个车间甚至整个工厂的仿真。

按照数字化双胞胎在整个产品生命周期应用阶段的不同，可以分为数字化双胞胎原型和数字化双胞胎实例，数字化双胞胎原型产生于真实产品存在之前，数字化双胞胎实例产生于真实产品存在之后。因此，在产品生命周期的前期阶段（产品设计、工艺规划、生产工程等），数字化双胞胎主要以原型的方式存在；在产品生命周期的后期阶段（制造执行、运营服务等），数字化双胞胎主要以实例的方式存在。

图2 产品全生命周期中的数字化双胞胎

把以上两个维度的分类结合起来，我们大致可以把产品生命周期中的数字化双胞胎分为四类（如图2所示）：产品数字化双胞胎，生产数字化双胞胎，生产运营数字化双胞胎，和产品运营数字化双胞胎。其实前两个是数字化双胞胎原型，后两个是数字化双胞胎实例。

二、数字化双胞胎的应用目标和价值

解释完什么是数字化双胞胎，接下来我们介绍为什么要实施数字化双胞胎。

简单来说，在研发阶段，我们可以通过数字化双胞胎来降低研发成本，缩短研发周期，优化产品设计；在运营阶段，我们可以通过数字化双胞胎来改善运营，并实现全价值链的闭环反馈和持续改进。

2.1 数字化双胞胎在研发阶段的应用目标和价值

图3 不同阶段发生的工程变更所带来的成本

首先介绍数字化双胞胎在研发阶段的价值。关于产品开发，有个著名的二八原则，即设计阶段只花费开发成本的20%，却锁定产品成本的80%；另外还有个10倍原则，在小批量生产阶段的工程变更成本是设计阶段的10倍，在大批量生产阶段的工程变更成本是设计阶段的100倍。因此，在研发阶段应用数字化双胞胎，目的是用数字样机代替物理样机，使得工程决策和变更前移，从而缩短研发周期，降低研发成本。

下面我们用一个计算机机箱散热器的案例来说明数字化双胞胎在研发阶段的应用价值。

传统的设计方法是一种不断试错的过程，设计人员根据设计目标和约束提出设计方案，然后通过仿真和测试来验证设计方案，因为受到时间和资源的约束，设计人员往往只能对有限的设计方案进行验证和评估。
基于西门子Heeds的多学科设计优化解决方案可以整合多学科的设计和仿真分析工具，按照设计目标和约束在设计空间中进行自动搜索，并进行评估优选，从而可以在有限的时间对更多的设计方案进行搜索、评估和优选，发现更多更优的解决方案。
对于计算机机箱散热器设计来说，使用HEEDS，仅用两天时间，即针对风扇和通风孔的不同位置和散热器的不同大小、形状、密度和材料自动评估了 200 个设计配置。评估后，它确定了一种优化的设计方案，与基准设计相比，冷却性能提高了25%，而散热器质量减轻了 51%。性能更高，成本却更低。

图4 利用数字化双胞胎进行设计优化

2.2 数字化双胞胎在运营阶段的应用目标和价值

在运营阶段，我们用K起重机集团的案例来说明数字化双胞胎的应用价值（如图5所示）。

K起重机集团是全球领先的起重机制造商和起重机维修服务提供商，自1910年创建至今，已走过百年历程。2012年年底，K集团的业务已遍布全球50个国家，设有609个服务网点，全球雇员超过12,100名。
随着设备安装数量越来越多，K集团面临着如何快速响应客户服务需求，降低服务成本的挑战。基于工业物联网和数字化双胞胎技术，K集团建立了1万个以上的远程连接，实时监控设备的运营状态，并基于后台的机电和控制系统数字化双胞胎进行仿真分析，对设备进行预测性维修，从而改善了服务质量（服务收入增加12%），也帮助客户提高了运营水平（设备失效水平降低10%）。
一个典型的应用场景和K集团提供给客户的报告如下：

贵公司的起重机今天启动和停止了28次，移动了427米，搬运了87.3吨货物；
起重机上的易磨损零件工作了201分钟；
升降制动器的预期工作寿命已经剩余不到10%；
基于目前的工作状态，需要在2周内更换升降制动器；
K集团技术服务人员将在下周五为您更换升降制动器，因为这时候正好是计划停工时间；
通过为第2班次的操作工人提供培训，减少紧急制动，可以使起重机寿命延长30%

以上我们以产品数字化双胞胎和产品运营数字化双胞胎为例，说明了数字化双胞胎的应用目标和价值，生产数字化双胞胎和生产运营数字化双胞胎的应用也遵循类似的原理，在此不再赘述。

图5 利用数字化双胞胎进行运营改善和预测性维修

三、数字化双胞胎的技术体系和发展趋势

3.1 数字化双胞胎的技术体系

那么，实现数字化双胞胎需要具备哪些关键技术呢？按照数字化双胞胎的定义，其技术体系必须支撑虚拟空间、真实空间以及双向的信息流等4个要素。我们以西门子公司的解决方案为例，对技术体系进行简单介绍：

图6 数字化双胞胎的技术体系

虚拟空间：

需要具备对产品的机械、电子、软件系统具备建模能力
需要具备对产品进行力热声光电多物理场的仿真和优化能力
需要具备对产品工艺及生产系统进行多层次、多维度的建模和仿真能力

真实空间：

需要具备完整的生产系统运营管理能力，包括APS、MES、QMS等
需要具备全集成自动化系统工程能力，以支持设备感知和互联
需要具备基于云计算、物联网和大数据的数字化双胞胎分析和服务能力

连接和协同：

需要具备虚拟空间和真实空间的信息集成和闭环反馈能力

3.2 数字化双胞胎的发展趋势

数字化双胞胎对于工业4.0时代制造业的数字化转型起着至关重要的作用，其应用和发展将与4个方面的数字化转型需求相结合：

首先是大规模个性化定制。在工业4.0时代，企业需要为客户提供个性化定制和设计，并且为客户提供全生命周期的最佳体验和服务。数字化双胞胎可以在虚拟的空间中验证更加复杂多样的个性化产品和体验，并在运营过程中通过互联的数字化化双胞胎持续优化运营服务和客户体验，从而使大规模个性化定制成为可能。
其次是产品越来越智能化。芯片技术和嵌入式系统的发展使所有的产品趋于智能化，这就要求数字化双胞胎具备机械、电子、软件系统的集成建模和仿真能力。
第三是先进机器人、增材制造等制造技术的发展将颠覆传统的规模经济和制造模式。这就要求数字化双胞胎必须可以对这些新的制造工艺和设备进行建模和仿真。
最后是制造业向服务转型。通过智能化的产品和物联网的应用，企业可以在产品使用的过程中采集数据并进行分析，从而实现对消费行为和产品质量的洞察，并支持新的基于结果的价值分享模式。这就要求数字化双胞胎必须与云计算、边缘计算、物联网、大数据分析、人工智能等技术充分结合。

随着传统的建模仿真技术与物联网、大数据和人工智能技术的进一步融合，数字化双胞胎将得到越来越广泛的应用，成为智能制造和智慧社会的核心技术。

附注：

关于Digital Twin的翻译，赵敏等专家建议翻译成“数字孪生”，本文出于易于传播的角度，沿用了“数字化双胞胎”的翻译。从字面意思上，“孪生”的俗称是“双胞胎”，两者没有本质区别。Twin的本意是“双胞胎之一”，也许翻译成“数字灵魂”、“数字伴侣”更为贴切。

作者简介：

王昕：西门子工业软件大中华区咨询总监来源：工业软件与创新智造

产品数字化双胞胎

本文是系列文章《数字化双胞胎技术及应用》的第二篇，主要介绍产品数字化双胞胎原型在研发阶段的相关技术和应用。

一、产品数字化双胞胎的定义和发展历程

1.1 产品数字化双胞胎的定义

图1 产品数字化双胞胎举例

首先我们通过一个实例说明什么是产品数字化双胞胎。

· 图1（左二）是一个挖掘机的案例，通过机电软一体化仿真，可以在虚拟空间进行产品功能和性能的早期验证，包括控制系统、强度、振动等。

· 仅有虚拟仿真验证手段还不够，通过西门子LMS Scada解决方案（图1左一），可以收集测试数据，并发送到云端，传输到系统仿真模型，这些测试数据可以作为仿真模型的输入以验证模型、计算结果、或作为虚拟传感器，从而实现从测试到仿真的闭环反馈和持续改进。

· 这个实例体现了数字化双胞胎的4个要素：虚拟空间，真实空间，虚拟模型驱动物理样机试制和试验，物理样机验证和改进虚拟模型和仿真。

1.2 产品数字化双胞胎的发展历程

接下来介绍产品数字化双胞胎的由来和发展历程，我们可以从需求、产品设计、产品验证三个方面来说明产品数字化双胞胎的发展历程（如图2所示）：

· 第一个阶段基于纸质、未受控的需求，产品设计以二维图纸或CAD为基础，产品验证基于物理样机和物理测试；

· 第二个阶段需求已经电子化并得到控制，但需要人工去跟踪需求的实现。产品设计以三维几何样机为基础，表达的主要是几何方面的属性。产品验证已经有各种仿真工具和测试手段，但是这些工具之间是分散的，难以实现设计目标的权衡和优化；

· 第三个阶段需求管理和设计过程一体化，需求全程得到跟踪和可追溯。产品设计从几何样机发展到系统样机，融合了机电软多学科和力热声光电多物理场的属性。产品验证实现多学科、多物理场、仿真和测试的融合，可以实现产品功能和性能的集成验证、综合预测和优化。

图2 产品数字化双胞胎的发展历程

从产品数字化双胞胎的发展趋势来看，由于芯片、嵌入式软件和物联网的快速发展，未来的产品越来越智能化、互联化，不同的系统交互作用，形成系统的系统。产品的研发以及数字化双胞胎的应用必须考虑这种发展趋势。在智能互联的产品当中，软件的作用将越来越重要，产品数字化双胞胎作为智能产品的仿真模型，也必须考虑机电软控多学科多物理场的交互作用。

二、产品数字化双胞胎的应用需求和内容

根据产品数字化双胞胎的应用目标和发展趋势，我们认为产品数字化双胞胎需要包含以下内容：

· 提供不同层次不同颗粒度的模型，覆盖系统工程全流程

· 机电软控协同设计和仿真

· 多物理场协同仿真

· 多学科目标优化

· 仿真和测试的闭环

· 面向增材制造的拓扑优化

针对这些应用需求，我们来做进一步的说明。

2.1 覆盖系统工程全流程

图3 产品数字化双胞胎的应用覆盖系统工程全流程

产品数字化双胞胎的应用需要覆盖V模型的全流程，根据不同阶段的需求提供不同的建模、仿真、测试能力。以洗衣机产品开发为例（如图3所示）：

· 在系统架构设计阶段，需要通过简化的模型对产品系统的总体目标和规格进行设计和验证，如电机的输出功率、洗衣机的整体能耗，等等；

· 在详细设计和验证阶段，典型的仿真内容包括：机械系统的振动、噪声、散热、运动、灰尘、湿度等方面的分析；电子电气系统的信号完整性、传输损耗、电磁干扰、耐久性、PCB散热等方面的分析，等等；

· 在集成验证阶段，可以通过实物或半实物验证等方式，对产品系统进行机电软控集成验证，以确认系统的功能和性能可以满足既定的目标和需求。

2.2 机电软控协同设计和仿真

产品数字化双胞胎需要支持机电软控系统的协同设计和仿真。我们用新能源汽车的整车系统与电池系统设计为例来说明（如图4所示）。

图4 产品数字化双胞胎支持机电软控协同设计和仿真

· 通过对动力总成、电池系统、电机和车厢进行建模，支持相关控制系统的仿真验证和行驶工况分析，并确定行驶里程范围，评估电池寿命；

· 从整车系统设计和仿真模型中选择关键运行工况，作为电池散热系统优化的输入；

· 基于关键运行工况，对电池系统进行散热分析和优化；

· 将电池系统优化的结果再反馈到整车系统仿真模型当中，不断迭代，可以改善乘员热舒适性，延长续驶里程，提高系统可靠性。

嵌入式软件在产品的地位和作用越来越重要，因此，产品数字化双胞胎要在不同的阶段支持嵌入式软件的仿真验证，包括MIL（模型在环）、SIL（软件在环）、HIL（硬件在环）等。而且，未来嵌入式软件的交付将基于敏捷开发模式，实现持续交付，与机电系统数字化双胞胎相结合的持续验证将越来越重要。

2.3 多物理场协同仿真

产品数字化双胞胎需要支持力热声光电多物理场协同仿真。我们用汽车的风噪分析为例来说明。

图5 产品数字化双胞胎支持多物理场协同仿真

为了降低行驶过程中的风噪，沃尔沃汽车通过流体仿真来预测气流给后视镜带来的载荷，再通过NVH模型进行噪声分析，对不同的后视镜设计方案进行比较，确定相对较优的设计方案。这是流体与噪声协同仿真的例子，其它不同学科协同仿真的例子还有很多。

2.4 多学科目标优化

数字化模型或虚拟空间的优势在于可以低成本的产生大量的虚拟样机，进行试验验证。而且，通过提供智能的优化算法，软件可以在设计空间中自动搜索优化的解决方案，同时满足多学科设计目标。图6是一个汽车保险杠设计优化的例子，设计目标是降低保险杠的重量，并满足所有碰撞安全法规。通过自动执行多专业仿真流程（该流程包括NX三维设计、LS-DYNA碰撞分析、PYTHON模型执行和后处理），对20个设计变量和两种碰撞工况进行分析，并进行方案搜索优化，在对100个设计方案进行评估后，发现的优化设计方案相对基准设计方案可以减轻重量32%，并且满足所有的碰撞安全法规。

图6 产品数字化双胞胎支持多学科目标优化

2.5 仿真和测试融合

数字化双胞胎是虚拟空间和真实空间的融合，因此产品数字化双胞胎也离不开仿真和测试的融合。仿真与测试如何融合包括以下四种方式：

· 测试可以用来验证仿真结果

· 可以把仿真和测试结合起来验证产品设计

· 仿真可以用来指导测试，使测试工作更加高效

· 仿真和测试的融合贯穿整个开发流程，并延伸到运营和使用阶段

图7 产品数字化双胞胎支持仿真和测试融合

图7是戴姆勒汽车应用LMS Test.Lab进行风洞声学测试，并与STAR-CCM+风噪仿真进行比对的例子。

2.6 面向增材制造的拓扑优化

另外，制造技术的发展也会给产品数字化双胞胎的应用带来新的机遇。三维打印等新的制造技术的发展，也给设计创新带来了新的可能。传统的拓扑优化需要考虑大量的制造约束，往往难以得到满意的设计方案。而拓扑优化和三维打印技术结合以后，不但可以得到更好的产品性能，而且可以节省材料，简化制造工艺。图8是一个工程机械结构设计的案例，新的设计方法可以减重28%，而强度不变。

图8 产品数字化双胞胎支持面向增材制造的拓扑优化

三、产品数字化双胞胎的技术体系

综上所述，未来产品数字化双胞胎的应用目标包括：

· 全程跟踪复杂系统的开发需求，实现基于模型的系统工程；

· 建立协同平台，支持高效的机电软协同设计和验证；

· 通过多专业多物理场的建模、仿真和测试，实现早期验证和持续验证

根据这些应用目标，西门子打造了涵盖系统工程全流程、包括机电软多学科、力热声光电多物理场、仿真和测试融合的技术和解决方案体系（如图9所示）。

图9 产品数字化双胞胎的技术体系

该体系主要包括以下方面的内容：

· 系统定义：包括系统层的需求定义、架构建模和验证、四性分析（RAMS）、FMEA等。西门子解决方案提供基于Teamcenter的需求管理和架构定义、基于Simcenter的系统建模和仿真、基于Polarion的软件需求管理等能力。

· E/E架构和电气：包括电子电气系统的架构设计和验证、电气连接设计和验证、电缆和线束设计和验证等。西门子解决方案提供了基于Mentor Graphics Capital的E/E架构和电气设计和验证的解决方案。

· 网络和诊断：包括通讯网络系统的设计、诊断设计、仿真和验证等。西门子解决方案提供了基于Mento rGraphics Volcano的通讯网络设计和验证解决方案。

· 软件和控制：包括软件系统的设计、编码、管理、测试等。西门子解决方案提供了基于Mentor Graphics Volcano控制器及软件设计、Polarion软件生命周期管理、Simcenter嵌入式软件设计验证等方面的能力。

· 机械和物理：包括机械系统的设计和验证。西门子解决方案提供了基于NX/SolidEdge的机械设计、基于Simcenter的仿真分析等方面的能力。

· 确认和验证：包括系统和字系统层的仿真、测试和验证（MIL/SIL/HIL等）。西门子解决方案提供了基于Simcenter的覆盖系统工程全流程的仿真和测试解决方案。

· 流程协同：包括系统工程全流程的管理和协同。西门子解决方案提供了基于Teamcenter的系统工程管理平台和基于Polarion的应用生命周期管理平台等能力。

数字化双胞胎技术及应用（3）：生产数字化双胞胎

本文是系列文章《数字化双胞胎技术及应用》的第三篇，主要介绍生产数字化双胞胎的相关技术和应用。

一、生产数字化双胞胎的定义和分类

1.1 生产数字化双胞胎的定义

图1 生产数字化双胞胎的定义

在本系列文章的第二篇中，我们介绍了产品数字化双胞胎。通过产品数字化双胞胎我们主要验证产品的功能、性能以及全生命周期的关键属性满足最终客户的需求。而生产数字化双胞胎的主要目的是确保产品可以被高效、高质量和低成本的生产，它所要设计、仿真和验证的对象主要是生产系统，包括制造工艺、制造设备、制造车间、管理控制系统，等等。

在本系列文章的第一篇中，我们说过数字化双胞胎分为数字化双胞胎原型和数字化双胞胎实例。对于生产数字化双胞胎来说，企业首先在虚拟空间中创建数字化双胞胎原型，包括工艺、设备、系统的模型，并进行仿真；然后在真实空间中建造对应的生产检测设备和执行控制系统，通过设备数据采集和生产运营分析的闭环反馈，形成生产数字化双胞胎实例（如图1所示）。

1.2 生产数字化双胞胎的分类

生产数字化双胞胎有不同的分类方法，一种是按照制造工艺进行分类，例如按照PCB制造工艺、装配工艺、机器人工艺和增材制造工艺进行划分（如图2所示）；另外一种是按照仿真对象的层次来进行分类，例如对某个单独的生产设备进行仿真，或者对某个生产单元或产线进行仿真，乃至对整个车间进行仿真。

图2 生产数字化双胞胎的分类：按照制造工艺划分

二、生产数字化双胞胎的应用目标和技术体系

2.1 生产数字化双胞胎的应用目标

图3 生产数字化双胞胎的应用目标

生产数字化双胞胎的应用目标包括（如图3所示）：

· 通过工艺规划和生产仿真缩短生产准备周期

· 基于实际生产数据优化生产系统

· 通过数字化和自动化集成提升生产绩效

通过应用生产数字化双胞胎，应该可以实现预测性的生产决策，例如：

· 制造此产品的最佳工艺是什么？

· 应该在哪里生产？

· 配置工厂的最佳方案是什么？

· 产品和工艺变更如何影响生产效率？

· 质量问题的根本原因是什么？

· 应该采取何种措施预防问题发生？

· 如何减少设备维修对生产的影响？

2.2 生产数字化双胞胎的技术体系

从生产数字化双胞胎的技术体系来说，应该覆盖数字化工厂的5个层次，即：

· 企业层：主要支持数字化工厂的经营和决策。包括工艺、产线和工厂的仿真。

· 管理层：主要支持数字化工厂的制造运营管理。包括生产计划排程、订单管理、质量管理、物料管理、设备管理等。

· 操作层：主要支持数字化工厂的设备监控。包括产线和工厂层面的SCADA系统。

· 控制层：主要支持数字化工厂的设备控制。包括生产单元和产线的控制器、HMI等设备。

· 现场层：主要支持数字化工厂的设备感知和互联。包括与生产设备紧密结合的传感器、驱动器和通讯网络。

图4 生产数字化双胞胎的技术体系：按照仿真对象和制造工艺划分

按照仿真对象和制造工艺划分，技术体系应该包括以下内容（如图4所示）：

· 零件加工工艺：包括机加工、复合材料、模具、增材制造工艺的建模和仿真；

· 质量系统：包括尺寸公差分析和测量设备的建模和仿真；

· PCB工艺：包括PCB工艺规划和仿真；

· 装配工艺：包括人工装配、机器人装配工艺的规划和仿真；

· 生产控制系统：包括生产控制系统的编程、仿真和虚拟调试；

· 工厂仿真：包括对工厂层次的物流和能耗的仿真；

· 车间连接：与车间生产设备的连接和集成。

为了保证各个生产数字化双胞胎之间信息的一致性和连续性，技术体系还应该包括制造工艺管理平台。

制造运营管理系统是衔接虚拟空间和物理空间的中枢，也是生产数字化双胞胎（确切的说是生产运营数字化双胞胎）的重要组成部分。制造运营管理应该包括典型的应用，例如制造执行管理、质量管理、先进计划和排程、制造数据分析以及设备的集成。

三、生产数字化双胞胎的新进展

从生产数字化双胞胎的应用发展趋势来看，一方面将与新的制造技术，如先进机器人和增材制造相结合；另外一方面将与新的数字化技术，如物联网、大数据和人工智能相结合。下面结合这些发展趋势，我们介绍一下西门子在生产数字化双胞胎方面的新进展。

3.1 先进机器人

生产数字化双胞胎需要支持先进机器人的应用。在电子制造业，装配的零件往往是弹性零件，例如塑料件、橡胶件、PCB、线束等，零件装配需要考虑尺寸差异和力学特性，机器人应用需要和力反馈或计算机视觉结合。

为了加速先进机器人在电子制造业的应用，西门子和ArtiMinds合作，提供了从机器人工位设计、机器人编程、仿真和调试的全面解决方案，而且确保了数据从设计、仿真到调试全过程的一致性。

图5 电子行业先进机器人仿真解决方案

该解决方案具有以下特点：

· 基于西门子和ArtiMinds解决方案，可以轻松的设计机器人工位，验证机器人的可达性和可能存在的碰撞；

· 可以轻松的对相对复杂的装配任务，例如内存条插接、多轴孔定位装配等需要力反馈或计算机视觉的任务进行模板化的示教编程和仿真；

· 既可以进行离线编程，又可以进行现场微调。

3.2 人机协作安全性评估

随着协作机器人应用日益广泛，对于人与机器人之间协作的安全性也引起了业界的高度关注。2016年发布的ISO/TS15066描述了人机协作的四种工作场景，并对协作机器人系统的设计要求和规范进行了详细描述。西门子提供的人机协作风险评估解决方案，主要是对特定的制造工艺流程中，人与机器人的协作任务进行仿真和风险评估，以确保企业提供了足够的安全措施，并减少安全问题带来的产线停工。该解决方案的工作流程包括人机协作工位设计、制造工艺规划、机器人工作空间分析、工艺仿真和风险评估（如图6所示）。

图6 人机协作安全性评估解决方案

一个典型人机协作场景的风险评估描述如下：

· 在此场景中，工人负责PLC的装配，完成装配后，将产品放入测试设备中，机器人根据测试结果进行不同的操作：如果通过测试，就把产品转移到传送带上；如果没有通过测试，就把产品转移到回收箱中；

· 系统根据人和机器人的操作分别生成工作空间的包络体，然后根据仿真输出风险评估报告，根据机器人接触人体的速度不同把风险分成不同等级；

· 根据风险评估结果可以进行工位布局、机器手臂配置和操作路径的调整和优化，以确保人机协作安全，并满足产线节拍要求。

基于以上仿真技术，可以保证工艺流程符合安全标准，并且降低实物测试的成本，减少产线因安全问题造成停工。

3.3 增材制造与混合制造

三维打印作为一种极具潜力的制造技术，可以使产品设计、制造工艺和供应链得到优化，甚至改变未来制造业的业务模式，使大规模个性化定制成为可能。增材制造技术应用正快速从样机试制扩展到工业化生产。

西门子提供了从产品建模、拓扑优化、性能仿真、打印工艺规划和验证、打印准备和输出等全价值链的增材制造数字化双胞胎解决方案。典型的应用包括（如图7所示）：

· 对粉末床激光熔融技术的支持。可以对打印工艺进行规划和验证，包括支撑结构的设计；

· 对惠普多喷头熔融技术的支持。可以支持零件嵌套，通过集成Materialise的建造处理器，西门子增材制造软件能够驱动最新的惠普Jet Fusion 3D 打印机；

· 对德玛吉混合制造技术的支持。可以同时规划增材制造工序和减材制造工序，并在同一台机床完成加工；

· 对三维打印机器人的支持。通过与Stratesys合作，把机器人技术与三维打印技术结合起来，可以利用机器人的灵活性来打印可变尺寸、复杂结构的零件，并取消支撑结构。所有的机器人和三维打印工艺，都可以通过西门子工业软件进行仿真验证。

图7 用于增材制造的生产数字化双胞胎

3.4 生产控制系统虚拟调试

随着产线自动化程度越来越高，产线上的设备（包括复杂工装、机器人、传输线以及其他安全性设备等）均由可编程逻辑控制器(PLC) 控制。利用PLC 编程，制造商更改产品线时不需要彻底更换整个产线的设施和设备，从而提高产线的柔性。但是，传统的生产控制系统依赖于在生产现场进行调试，需要长时间停止生产，而且存在设备损坏的风险。

利用西门子虚拟调试解决方案（如图8所示），可以先在虚拟环境中建立产线和设备模型，并实现相关信号的映射。基于此虚拟环境，可以在办公室调试PLC 代码，然后再将这些代码下载到真实设备中。通过以虚拟方式仿真和验证自动化设备，可以保证设备的表现能够达到预期，并大幅缩短系统调试时间。虚拟调试既可以应用于某个生产单元，也可以应用于整个产线或车间的自动控制系统。虚拟调试解决方案可以基于实际的PLC，也可以基于虚拟PLC。