產(chǎn)業(yè)：“數(shù)字孿生”

聞力生（東華大學(xué)教授 中國服裝智能制造聯(lián)盟專家組副組長）

“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

到目前為止，外界對“數(shù)字孿生”存在著多種不同認識和理解，尚未形成擁有統(tǒng)一共識的定義，但我們更認可在2020年由我國工信部標準化院發(fā)布的《“數(shù)字孿生”應(yīng)用白皮書》中所給出的定義：“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(yù)測、控制物理實體全生命周期過程的技術(shù)手段。

按照這一定義，我國工信部標準化院給出了“數(shù)字孿生”系統(tǒng)總體架構(gòu)，可以用于指導(dǎo)“數(shù)字孿生”體系的建設(shè)與實施。

“數(shù)字孿生”系統(tǒng)的架構(gòu)與組成

“數(shù)字孿生”系統(tǒng)總體架構(gòu)分為“數(shù)字孿生”體系框架與物理對象兩個部分，“數(shù)字孿生”體系框架可以理解為通過建模、仿真、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)建成“數(shù)字孿生”的虛擬世界（或稱賽博物理空間），主要包含數(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)和人機交互等要素，物理對象則用于表達“數(shù)字孿生”世界與物理世界的關(guān)系，它不是“數(shù)字孿生”體系框架的要素，而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(shè)備、生產(chǎn)線、物料、人等要素構(gòu)成的企業(yè)物理世界。這兩個世界通過網(wǎng)絡(luò)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)。

面向制造業(yè)的“數(shù)字孿生”關(guān)鍵技術(shù)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）、工業(yè)控制、區(qū)塊鏈等。

從這些技術(shù)來看，“數(shù)字孿生”關(guān)鍵技術(shù)中的大部分都和新信息技術(shù)（NewIT）相關(guān)。NewIT對“數(shù)字孿生”的實現(xiàn)和落地應(yīng)用起到重要的支撐作用，比如：物聯(lián)網(wǎng)能通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)為孿生數(shù)據(jù)的實時、可靠、高效傳輸提供幫助；VR技術(shù)利用計算機圖形學(xué)、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(shù)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(dǎo)等方面的功能；邊緣計算技術(shù)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)用戶本地的即時決策、快速響應(yīng)與及時執(zhí)行，系統(tǒng)級和復(fù)雜系統(tǒng)級“數(shù)字孿生”亦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，能動態(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(yù)測現(xiàn)實事件的結(jié)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，可在無須數(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(wù)等。

“數(shù)字孿生”技術(shù)具有互操作性、可擴展性、實時性、保真性、閉環(huán)性等特征，應(yīng)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(shè)計、制造、運維等各方面的數(shù)據(jù)，是如何產(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。

“數(shù)字線索”也是“數(shù)字孿生”的關(guān)鍵技術(shù)之一。按照戰(zhàn)略管理咨詢公司CIMdata的定義，“數(shù)字線索”是一種信息交互的框架，能夠打通原來多個豎井式的業(yè)務(wù)視角，連通設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)的互聯(lián)數(shù)據(jù)流和集成視圖?？梢?，“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。

整體來看，對“數(shù)字孿生”的認識與實踐離不開具體對象、具體應(yīng)用與具體需求，比如一個產(chǎn)品、一臺設(shè)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(yīng)用和解決實際問題出發(fā)，并不一定要求在應(yīng)用過程中建立的“數(shù)字孿生”必須具備所有的“理想特征”，只要能滿足用戶需要即可。

服裝智能制造的“數(shù)字孿生”途徑

智能制造領(lǐng)域應(yīng)用的“數(shù)字孿生”技術(shù)，其核心技術(shù)是信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)（CPPS）。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(lǐng)域的應(yīng)用，是一種多維度的智能技術(shù)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(luò)和云計算為依托，通過智能感知、分析、預(yù)測、優(yōu)化、協(xié)同等技術(shù)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(jié)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(luò)空間中構(gòu)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(gòu)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(luò)化。

基于“數(shù)字孿生”技術(shù)的智能制造系統(tǒng)是預(yù)測型智能制造系統(tǒng)。智能制造企業(yè)經(jīng)常會遇到設(shè)備因年久而機器磨損或性能衰退的困擾，預(yù)測型智能制造則是通過主動掌握設(shè)備實際的狀態(tài)，來避免在故障發(fā)生后再去搶修，又或是過早地將可繼續(xù)用的部件進行不必要更換的情況，以計劃性維修的方式來降低維修費用和生產(chǎn)成本。

只要知道設(shè)備什么時候可能失效，企業(yè)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(shè)備的可用性和延長其正常運行時間，提升工廠運營效率，并將設(shè)備衰退模式和實時狀態(tài)評估與加工過程控制結(jié)合起來，實現(xiàn)在設(shè)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。

其實，從國家提出“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，都是期望通過信息物理融合來實現(xiàn)智能制造?！皵?shù)字孿生”既是構(gòu)建CPS系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是智能制造的一種使能技術(shù)。可以說沒有“數(shù)字孿生”，就沒有CPS，也就沒有智能制造?！皵?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。

“數(shù)字孿生”技術(shù)受到我們?nèi)绱酥匾?，是因為它能在服裝智能制造工廠中直接應(yīng)用：從對實體服裝加工設(shè)備（即設(shè)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(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，“數(shù)字孿生”技術(shù)將逐步由設(shè)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，將通過反復(fù)的模擬計算，自主生成數(shù)據(jù)資源庫，并利用深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，逐步實現(xiàn)“數(shù)字孿生”對于實體設(shè)備、產(chǎn)線流程的自適應(yīng)、自決策。當(dāng)生產(chǎn)需求、業(yè)務(wù)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），令生產(chǎn)流程能夠完成自適應(yīng)的智能化調(diào)整，進而將服裝制造工廠打造為真正意義上的服裝智能工廠。

據(jù)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》預(yù)測，“數(shù)字孿生”技術(shù)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”技術(shù)，從而使這些企業(yè)的效率提高10.0%。到2024年，超過25.0%的“數(shù)字孿生”技術(shù)將作為物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用功能被采用。