上個世紀六十年代，美國宇航局（簡稱NASA）實施了阿波羅計劃（Apollo program），這個計劃的目的是實現(xiàn)載人登月飛行和人對月球的實地考察。NASA在阿波羅計劃成功實踐之后，于2010年發(fā)布的Area 11技術路線圖中首次提出了數(shù)字孿生（Digital Twins）概念。其定義為：一個數(shù)字孿生，是一種集成化了的多種物理量、多種空間尺度的運載工具或系統(tǒng)的仿真，該仿真使用了當前最為有效的物理模型、傳感器數(shù)據(jù)的更新、飛行的歷史等等，來鏡像出其對應的飛行當中孿生對象的生存狀態(tài)。

2002年美國密歇根大學Michael Grieves教授在為PLM（產(chǎn)品生命周期管理）中心成立而向工業(yè)界發(fā)表演講而制作的幻燈片中，首次提出了PLM概念模型，模型中出現(xiàn)了現(xiàn)實空間、虛擬空間、從現(xiàn)實空間到虛擬空間的數(shù)據(jù)流、從虛擬空間到現(xiàn)實空間的信息流，以及虛擬子空間的表述，見圖一。

圖一  數(shù)字孿生最初概念模型及其術語

全球最具權威的IT研究與顧問咨詢公司Gartner在2019年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢中將數(shù)字孿生作為重要技術之一，其對數(shù)字孿生的描述為：數(shù)字孿生是現(xiàn)實世界實體或系統(tǒng)的數(shù)字化體現(xiàn)。

我國覓圖咨詢CIMdata推薦的定義是：數(shù)字孿生（即數(shù)字克隆）是基于物理實體的系統(tǒng)描述，可以實現(xiàn)對跨越整個系統(tǒng)全生命周期可信來源的數(shù)據(jù)、模型和信息進行創(chuàng)建、管理和應用。

我國北航陶飛教授的定義是:數(shù)字孿生作為實現(xiàn)虛實之間雙向映射、動態(tài)交互、實時連接的關鍵途徑，可將物理實體和系統(tǒng)的屬性、結構、狀態(tài)、性能、功能和行為映射到虛擬世界，形成高保真的動態(tài)多維／多尺度／多物理量模型，為觀察物理世界、認識物理世界、理解物理世界、控制物理世界、改造物理世界提供了一種有效手段。

我國2019年的《數(shù)字孿生體技術白皮書（2019）》中，給出的數(shù)字孿生體定義為：數(shù)字孿生體是現(xiàn)有或?qū)⒂械奈锢韺嶓w對象的數(shù)字模型，通過實測、仿真和數(shù)據(jù)分析來實時感知、診斷、預測物理實體對象的狀態(tài)，通過性能和狀態(tài)優(yōu)化及指令發(fā)送來調(diào)控物理實體對象的行為，通過相關數(shù)字模型間的相互學習來進化自身，同時改進利益相關方在物理實體對象生命周期內(nèi)的決策。

2020年我國工信部標準化院發(fā)布的《數(shù)字孿生應用白皮書》中的定義是：數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實體的虛擬實體，借助歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)以及算法模型等，模擬、驗證、預測、控制物理實體全生命周期過程的技術手段。

可見以上對數(shù)字孿生存在多種不同認識和理解，目前尚未形成擁有統(tǒng)一共識的定義，但從這些定義中我們更認可我國工信部標準化院所給出的定義，它比較確切、全面和容易理解。


數(shù)字孿生系統(tǒng)總體架構見圖二，該架構是2020年我國工信部標準化院所給出的，可以指導數(shù)字孿生體的建設與實施。

圖二   數(shù)字孿生系統(tǒng)總體架構

由圖二可見，總體架構分數(shù)字孿生體系框架與物理對象兩個部分，上部分是數(shù)字孿生體系框架，下部分是物理對象。物理對象在此圖中用于表達數(shù)字孿生世界與物理世界的關系，它不是數(shù)字孿生體框架的要素。數(shù)字孿生體系架構包含以下要素：數(shù)字建模、測量與控制、模擬仿真、數(shù)據(jù)分析、數(shù)字資產(chǎn)和人機交互等等。

作為制造業(yè)，想把數(shù)字孿生系統(tǒng)架構理解得更明白一點可以參見圖三。圖二中的物理對象就是我們通常所說的現(xiàn)實世界或物理世界(或物理空間)，在制造業(yè)中可以理解為產(chǎn)品、設備、生產(chǎn)線、物料、人等要素構成的企業(yè)物理世界，而數(shù)字孿生體系框架部分可以理解為通過建模、仿真、數(shù)據(jù)分析等技術建成數(shù)字孿生的虛擬世界(或稱賽博物理空間)。兩個世界由網(wǎng)絡連接，進行實時數(shù)據(jù)的映射和反饋控制，進而達到現(xiàn)實世界企業(yè)的優(yōu)化生產(chǎn)。

來源:先進制造業(yè)   圖三   數(shù)字孿生系統(tǒng)組成

（一）數(shù)字孿生的關鍵技術
面向制造業(yè)的數(shù)字孿生的關鍵技術包括建模、仿真、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算、數(shù)字線索、邊緣計算、虛擬現(xiàn)實（VR/AR/MR）、MES、GIS、CAD、CAE、CAM、工業(yè)控制、區(qū)塊鏈等，見圖四。

圖四  數(shù)字孿生的關鍵技術

從這些技術看，數(shù)字孿生關鍵技術其中大部分都和新信息技術(NewIT)相關，見圖五。NewIT 對數(shù)字孿生的實現(xiàn)和落地應用起到了重要的支撐作用。例如：物聯(lián)網(wǎng)能通過有線或無線網(wǎng)絡為孿生數(shù)據(jù)的實時、可靠、高效傳輸提供幫助；VR技術利用計算機圖形學、細節(jié)渲染、動態(tài)環(huán)境建模等實現(xiàn)虛擬模型對物理實體屬性、行為、規(guī)則等方面層次細節(jié)的可視化動態(tài)逼真顯示；AR與MR技術則利用實時數(shù)據(jù)采集、場景捕捉、實時跟蹤及注冊等實現(xiàn)虛擬模型與物理實體在時空上的同步與融合，通過虛擬模型補充增強物理實體在檢測、驗證及引導等方面的功能；邊緣計算技術可將部分從物理世界采集到的數(shù)據(jù)在邊緣側(cè)進行實時過濾、規(guī)約與處理，從而實現(xiàn)了用戶本地的即時決策、快速響應與及時執(zhí)行；系統(tǒng)級和復雜系統(tǒng)級數(shù)字孿生則需要更大的計算與存儲能力，云計算能按需使用與分布式共享的模式，可使數(shù)字孿生在使用龐大的云計算資源與數(shù)據(jù)中心時，動態(tài)地滿足數(shù)字孿生的不同計算、存儲與運行需求；大數(shù)據(jù)能夠從數(shù)字孿生高速產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)中提取更多有價值的信息，以解釋和預測現(xiàn)實事件的結果和過程；區(qū)塊鏈可對數(shù)字孿生的安全性提供可靠保證，可確保孿生數(shù)據(jù)不可篡改、全程留痕、可跟蹤、可追溯等；人工智能通過智能匹配最佳算法，可在無需數(shù)據(jù)專家的參與下，自動執(zhí)行數(shù)據(jù)準備、分析、融合，對孿生數(shù)據(jù)進行深度知識挖掘，從而生成各類型服務等。

來源:兩化融合服務聯(lián)盟    圖五 數(shù)字孿生與NewIT的關系

數(shù)字孿生應用的前提是各個環(huán)節(jié)的模型及大量的數(shù)據(jù)，那么類似于產(chǎn)品的設計、制造、運維等各方面的數(shù)據(jù)，如何產(chǎn)生、交換和流轉(zhuǎn)？如何在一些相對獨立的系統(tǒng)之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫流動？這些正是數(shù)字線索要解決的問題。所以數(shù)字線索技術也是數(shù)字孿生的關鍵技術之一，理解了數(shù)字線索才能更深刻地理解數(shù)字孿生。所謂數(shù)字線索有時也叫數(shù)字線程、數(shù)字紐帶、數(shù)字主線等，CIMdata曾經(jīng)這樣定義過數(shù)字線索：數(shù)字線索指一種信息交互的框架，能夠打通原來多個豎井式的業(yè)務視角，連通設備全生命周期數(shù)據(jù)的互聯(lián)數(shù)據(jù)流和集成視圖。可見數(shù)字線索能把不同生命周期的數(shù)字孿生串接起來，形成數(shù)據(jù)的自動流動，所以說數(shù)字線索是穿梭于現(xiàn)實物理世界與數(shù)字虛擬世界之間的橋梁，見圖六。

來源:先進制造業(yè)   圖六  數(shù)字線索

（二）數(shù)字孿生的典型特征與理想特征

數(shù)字孿生具有以下典型特征：

①互操作性——數(shù)字孿生中的物理對象和數(shù)字空間能夠雙向映射、動態(tài)交互和實時連接，因此數(shù)字孿生具備以多樣的數(shù)字模型映射物理實體的能力，具有能夠在不同數(shù)字模型之間轉(zhuǎn)換、合并和建立表達的等同性；

②可擴展性——數(shù)字孿生技術具備集成、添加和替換數(shù)字模型的能力,能夠針對多尺度、多物理、多層級的模型內(nèi)容進行擴展；

③實時性——數(shù)字孿生技術要求數(shù)字化，即以一種計算機可識別和處理的方式管理數(shù)據(jù)以對隨時間軸變化的物理實體進行表征。表征的對象包括外觀、狀態(tài)、屬性、內(nèi)在機理，形成物理實體實時狀態(tài)的數(shù)字虛體映射；

④保真性——數(shù)字孿生的保真性指描述數(shù)字虛體模型和物理實體之間的接近性。要求虛體和實體不僅要保持幾何結構的高度仿真，在狀態(tài)、相態(tài)和時態(tài)上也要仿真；

⑤閉環(huán)性——數(shù)字孿生中的數(shù)字虛體，用于描述物理實體的可視化模型和內(nèi)在機理，以便于對物理實體的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行監(jiān)視、分析推理、優(yōu)化工藝參數(shù)和運行參數(shù)，實行決策功能，即賦予數(shù)字虛體和物理實體一個大腦。

對數(shù)字孿生的認識與實踐離不開具體對象、具體應用與具體需求，例如一個產(chǎn)品、一臺設備、一條產(chǎn)線、一個車間等。它們在不同階段的數(shù)字孿生會呈現(xiàn)出不同的特點，這就要求我們從應用和解決實際問題出發(fā)，應用過程中不一定要求所建立的“數(shù)字孿生”具備所有的“理想特征”，只要能滿足用戶需要即可。表一是基于各種視角看待數(shù)字孿生所表現(xiàn)出來的理想特征，它是值得我們在應用時參考的。



智能制造領域應用的數(shù)字孿生技術，其核心技術是信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)（CyberPhysical Production System－CPPS），如圖七所示。信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)是信息物理系統(tǒng)（CPS）在生產(chǎn)領域的應用，是一種多維度的智能技術體系。信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)以大數(shù)據(jù)、人工智能、網(wǎng)絡和云計算為依托，通過智能感知、分析、預測、優(yōu)化、協(xié)同等技術手段，使計算、通信和控制三者有機融合與協(xié)作。將所獲取的信息與對象的物理性能表征相結合，形成虛擬空間與實體空間深度融合、實時交互、互相耦合、及時更新，在網(wǎng)絡空間中構建實體的虛擬鏡像。通過自感知、自記憶、自認知、自決策、自重構的運算和分析，實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡化。

來源: 智能制造IM   圖七  數(shù)字孿生與智能制造

基于數(shù)字孿生的智能制造系統(tǒng)是預測型智能制造系統(tǒng)。大家知道，智能制造的困擾是設備和裝置的失效，隨著時間的推移，設備會磨損，性能會衰退，最終導致故障和停機。預測型智能制造通過掌握設備實際的狀態(tài)，不是在故障發(fā)生后去搶修，或過早地將可繼續(xù)用的部件進行不必要更換，而是采用計劃性維修，從而降低維修費用和生產(chǎn)成本。知道設備什么時候可能失效，就能夠合理地安排維修計劃，實現(xiàn)“準時”維修，最大限度地提高設備的可用性和延長其正常運行時間，提升工廠運營效率。將設備衰退模式和實時狀態(tài)評估與加工過程控制結合起來，實現(xiàn)在設備或系統(tǒng)性能隨時間變化的情況下，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，邁向無憂慮的放心智能制造。

中國從“信息化帶動工業(yè)化，工業(yè)化促進信息化”，到兩化融合和兩化深度融合，再到“中國制造2025”的“融合演進”的制造強國發(fā)展戰(zhàn)略，都期望通過信息物理融合來實現(xiàn)智能制造。數(shù)字孿生既是構建CPS系統(tǒng)的基礎，也是智能制造的一種使能技術。可以說沒有數(shù)字孿生，就沒有CPS，也就沒有智能制造。數(shù)字孿生是未來智能制造生產(chǎn)的“底座”，在智能制造實踐中將大有可為。


Gartner曾經(jīng)攜手樹根互聯(lián)發(fā)布了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)白皮書《如何利用數(shù)字孿生幫助企業(yè)創(chuàng)造價值》（以下簡稱《白皮書》），在《白皮書》中預測，數(shù)字孿生將會是未來企業(yè)實現(xiàn)轉(zhuǎn)型與創(chuàng)造價值的重要驅(qū)動力。到2021年，半數(shù)的大型制造業(yè)將使用數(shù)字孿生，從而使這些企業(yè)的效率提高10%。到2024年，超過25%的全新數(shù)字孿生將作為新loT業(yè)務應用的功能被采用。

數(shù)字孿生技術受到我們?nèi)绱酥匾暎且驗樗茉诜b智能制造工廠中直接應用。數(shù)字孿生技術也是服裝智能工廠實踐的重要組成部分。我們利用數(shù)字孿生技術來實現(xiàn)服裝智能制造途徑是這樣進行的：從對實體服裝加工設備(即設備實體)的數(shù)字虛擬化(即建仿真模型)開始，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等NewIT技術的不斷發(fā)展與應用，數(shù)字孿生將逐步由設備數(shù)字虛擬化向產(chǎn)線數(shù)字虛擬化、車間數(shù)字虛擬化、工廠數(shù)字虛擬化發(fā)展。在這些物理實體數(shù)字虛擬化過程中要通過反復的模擬計算，自主生成數(shù)據(jù)資源庫，并利用深度學習等人工智能技術，逐步實現(xiàn)數(shù)字孿生對于實體設備、產(chǎn)線流程的自適應、自決策。當生產(chǎn)需求、業(yè)務場景發(fā)生新變化時，通過數(shù)字孿生對物理實體的虛實映射、互聯(lián)互通(指實時數(shù)據(jù)信息上傳與下達)，見圖八，生產(chǎn)流程就能夠完成自適應的智能化調(diào)整，進而實現(xiàn)真正意義上的服裝智能工廠。

圖八 數(shù)字孿生技術的智能制造概念規(guī)劃

圖八中設備實物(物理實體世界)可以是我們服裝加工用的各種設備、產(chǎn)線、車間、工廠，而仿真模型(數(shù)字虛擬世界)是對設備、產(chǎn)線、車間、工廠的3D數(shù)字化虛擬體；圖九是對我們服裝智能制造常用的機器人設備的數(shù)字孿生系統(tǒng)，這個系統(tǒng)是對機器人設備進行預測性健康維護，其原理見圖十；不管是設備、產(chǎn)線，還是工廠，他們對數(shù)字孿生技術的應用原理是一樣的，只是在層級和價值上有所區(qū)別，所以在此就不再贅述。數(shù)字孿生服裝車間運行機制見圖十一；服裝工廠數(shù)字孿生概念模型見圖十二；數(shù)字孿生服裝立體倉庫見圖十三。

中國機械工程學會在2020年進行的市場研究表明：

隨著企業(yè)不斷學習如何使用數(shù)字孿生來提高生產(chǎn)率和降低成本，數(shù)字孿生未來會越來越受歡迎。到2025年，多達89％的物聯(lián)網(wǎng)平臺將包含數(shù)字孿生；到2027年，數(shù)字孿生將成為IoT平臺的標準功能；各個行業(yè)中將近36％的高管在了解數(shù)字孿生技術之后，其中有50%的人到2028年會在企業(yè)業(yè)務中使用數(shù)字孿生。我們服裝制造業(yè)當然也不會落后。