东华大学 闻力生教授：数字孪生是服装智能制造的底座

图一  数字孪生最初概念模型及其术语

图二   数字孪生系统总体架构

来源:先进制造业   图三   数字孪生系统组成

图四  数字孪生的关键技术

      数字孪生应用的前提是各个环节的模型及大量的数据，那么类似于产品的设计、制造、运维等各方面的数据，如何产生、交换和流转？如何在一些相对独立的系统之间实现数据的无缝流动？这些正是数字线索要解决的问题。所以数字线索技术也是数字孪生的关键技术之一，理解了数字线索才能更深刻地理解数字孪生。所谓数字线索有时也叫数字线程、数字纽带、数字主线等，CIMdata曾经这样定义过数字线索：数字线索指一种信息交互的框架，能够打通原来多个竖井式的业务视角，连通设备全生命周期数据的互联数据流和集成视图。可见数字线索能把不同生命周期的数字孪生串接起来，形成数据的自动流动，所以说数字线索是穿梭于现实物理世界与数字虚拟世界之间的桥梁，见图六。

来源:先进制造业   图六  数字线索

      数字孪生具有以下典型特征：

      ①互操作性——数字孪生中的物理对象和数字空间能够双向映射、动态交互和实时连接，因此数字孪生具备以多样的数字模型映射物理实体的能力，具有能够在不同数字模型之间转换、合并和建立表达的等同性；

      ②可扩展性——数字孪生技术具备集成、添加和替换数字模型的能力,能够针对多尺度、多物理、多层级的模型内容进行扩展；

      ③实时性——数字孪生技术要求数字化，即以一种计算机可识别和处理的方式管理数据以对随时间轴变化的物理实体进行表征。表征的对象包括外观、状态、属性、内在机理，形成物理实体实时状态的数字虚体映射；

      ④保真性——数字孪生的保真性指描述数字虚体模型和物理实体之间的接近性。要求虚体和实体不仅要保持几何结构的高度仿真，在状态、相态和时态上也要仿真；

      ⑤闭环性——数字孪生中的数字虚体，用于描述物理实体的可视化模型和内在机理，以便于对物理实体的状态数据进行监视、分析推理、优化工艺参数和运行参数，实行决策功能，即赋予数字虚体和物理实体一个大脑。

      对数字孪生的认识与实践离不开具体对象、具体应用与具体需求，例如一个产品、一台设备、一条产线、一个车间等。它们在不同阶段的数字孪生会呈现出不同的特点，这就要求我们从应用和解决实际问题出发，应用过程中不一定要求所建立的“数字孪生”具备所有的“理想特征”，只要能满足用户需要即可。表一是基于各种视角看待数字孪生所表现出来的理想特征，它是值得我们在应用时参考的。

表一  基于不同认识的数字孪生理想特征

      智能制造领域应用的数字孪生技术，其核心技术是信息物理融合生产系统（CyberPhysical Production System－CPPS），如图七所示。信息物理融合生产系统是信息物理系统（CPS）在生产领域的应用，是一种多维度的智能技术体系。信息物理融合生产系统以大数据、人工智能、网络和云计算为依托，通过智能感知、分析、预测、优化、协同等技术手段，使计算、通信和控制三者有机融合与协作。将所获取的信息与对象的物理性能表征相结合，形成虚拟空间与实体空间深度融合、实时交互、互相耦合、及时更新，在网络空间中构建实体的虚拟镜像。通过自感知、自记忆、自认知、自决策、自重构的运算和分析，实现生产系统的数字化、智能化和网络化。

来源: 智能制造IM   图七  数字孪生与智能制造

      基于数字孪生的智能制造系统是预测型智能制造系统。大家知道，智能制造的困扰是设备和装置的失效，随着时间的推移，设备会磨损，性能会衰退，最终导致故障和停机。预测型智能制造通过掌握设备实际的状态，不是在故障发生后去抢修，或过早地将可继续用的部件进行不必要更换，而是采用计划性维修，从而降低维修费用和生产成本。知道设备什么时候可能失效，就能够合理地安排维修计划，实现“准时”维修，最大限度地提高设备的可用性和延长其正常运行时间，提升工厂运营效率。将设备衰退模式和实时状态评估与加工过程控制结合起来，实现在设备或系统性能随时间变化的情况下，保证产品质量的稳定，迈向无忧虑的放心智能制造。

      中国从“信息化带动工业化，工业化促进信息化”，到两化融合和两化深度融合，再到“中国制造2025”的“融合演进”的制造强国发展战略，都期望通过信息物理融合来实现智能制造。数字孪生既是构建CPS系统的基础，也是智能制造的一种使能技术。可以说没有数字孪生，就没有CPS，也就没有智能制造。数字孪生是未来智能制造生产的“底座”，在智能制造实践中将大有可为。

图八 数字孪生技术的智能制造概念规划

来源: Engineering 2021  图九 机器人数字孪生系统

来源: 先进制造业  图十 设备健康数字孪生系统

来源: 智造苑  图十一 数字孪生服装车间运行机制

 图十二 服装工厂数字孪生概念

来源: 智造苑   图十三  数字孪生服装立体仓库