以下文章来源于智造苑，作者李培根
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李培根中国工程院院士
中国机械工程学会理事长
“现象级”技术？
数字孪生的概念出现是最近10多年的事，但近3年来关于数字孪生的论文数井喷式增长[1]。
各行各业都在谈论数字孪生，制造业自不待言，建筑、建造、智慧城市、物流……
近期国内多有关于数字孪生的文章问世，如黄培[2]、赵敏和宁振波[3]等，不乏真知灼见。
尤其是有些软件公司、工业互联网公司极力渲染其数字孪生应用（不排除有推销自己的因素），使数字孪生成为当今智能制造或企业数字化/智能化的特别“现象”。炙手可热的数字孪生诚然已成为智能制造以及其它相关领域的“现象级”技术！
谁用？干什么？
1.设计开发者
在产品设计开发阶段所形成的数字模型，就是产品最初的数字孪生模型。数字孪生技术逐渐成为优化整个制造价值链和创新产品的重要工具。数字孪生功能最初是设计工程师工具箱里的一种选择工具，它可以简化设计流程，削除原型测试中的许多方面。通过使用3D仿真和人机界面，如增强现实和虚拟现实,工程师可以确定产品的规格、制造方式和使用材料，以及如何根据相关政策、标准和法规进行设计评估。数字孪生可以帮助工程师在确定设计终稿之前，识别潜在的可制造性、质量和耐用性等问题。因此，通过数字孪生模型的应用，传统的原型设计速度得以提升，产品以更低成本，更有效地投入生产[4]。可以认为:
设计阶段的数字孪生
是产品（物理实体）“孕育”阶段的数字模型。
产品形态展示设计者想象的产品形态特别适宜于在虚拟空间中展示。如VR家装设计分别帮助家装设计师和家装公司解决其关心的家装设计作品呈现、客户引流和签单等问题。家装设计师需要让客户认可自己的设计才华；广大家装公司更看重VR+家装软件能否吸引更多业主前来咨询，以有效提升签单率。VR家装设计除了高效便捷展现真实的场景式整体家居效果外，还能对企业用户提供诸如人员管理、供应链管理以及沉浸式效果体验等方面的服务。VR家装设计软件是类似CAD、3DMax的室内设计软件，但不同的是，它不仅能做室内设计效果图，还能实现VR交互，实时渲染，让业主身临其境地体验室内装修的效果，如果不喜欢还可自主定制或一键更换。VR家装设计直接让顾客看到虚拟空间中的场景，同时还可通过录视频、拍照等方式，将体验的“真实”场景带回家中与家人朋友一起参考，实现社会化营销。因此，VR家装设计可大大缩短销售周期，顾客感知装修效果后，可以加快顾客购买决策，让成交变得更简单。VR+家装一方面吸引有家装需求的业主，通过多产品、不同套系、不同主题的一键切换，业主可随时查看到“真实”的装修效果。[5]至于一些个性化定制产品的设计更需要类似的手段呈现给用户和设计者自身。可以认为，这样的“真实”场景或形态就是潜在的物理实体的数字孪生。
特别状态模拟在产品的设计过程中，自然需要尽可能考虑产品运行中的某些特别状态，如汽车行驶中可能发生的碰撞。良好的设计也应该基于对特别状态有尽可能准确认识的基础之上，为此需要在仿真的虚拟空间中模拟特别状态。在汽车被动安全性研究中，其安全评价的主要目的是确保乘员的生存空间，缓和冲击，防止火灾等。汽车碰撞是瞬态大变形非线性问题，碰撞过程极为复杂。如利用ANSYSLS-DYNA程序进行汽车碰撞仿真，具备模拟汽车碰撞时结构破损和乘员安全性分析的全部功能，其内置安全带、传感器等单元，以及气囊和假人模型，可高效仿真汽车在发生碰撞或紧急制动时安全带系统和安全气囊系统对乘员的保护情况，从而优化安全保险装置的设计，提高汽车的安全性能。[6]协同设计在产品或生产单元的设计开发过程中，也需要建立其数字孪生体的虚拟空间，尤其是融合VR技术的数字孪生体。在虚拟空间中，设计者更容易获得直观体验，又便于设计者之间的协同交流。此外，还能进行某种仿真验证。[7]
虚拟调试验证虚拟调试是使用模型驱动的数字孪生体实现整机级集成测试，物理调试前的设备选型和验证。产品开发的早期论证，是数字孪生技术最基本的应用。数字孪生体是一个物理实体（也可能是想象中、设计中的实体）的数字表达，除最基本的三维结构外，还应该能够对产品的性能和物理过程进行表达。绝大多数产品的过程是多物理过程，因此还需要多领域物理统一建模。只停留在三维表达不是真正意义上的数字孪生体。
借助数字孪生技术大大加快拥有全新产品的工厂设计。应用数字孪生技术对机器和工厂进行仿真能够使全新一代的产品在12个月上市，而通常需要18～24个月。[8]
虚拟调试技术用于生产线、车间/工厂的设计特别有效。在数字化环境中建立生产线的三维布局，包括工业机器人、自动化设备、PLC和传感器等设备。对于已有的新设备，在现场调试之前，可以直接在虚拟环境下，对生产线的数字孪生模型进行机械运动、工艺仿真和电气调试，让设备在未安装之前已经完成调试。在虚拟调试阶段，将控制设备连接到虚拟站/线；完成虚拟调试后，控制设备可以快速切换到实际生产线。对于运行中的生产线，还可随时切换到虚拟环境，分析、修正和验证正在运行的生产线上的问题，避免长时间且昂贵的生产停顿。[2]Maplesoft在数字孪生应用于虚拟调试方面颇具特色，他们与一些自动化公司建立了合作伙伴关系，包括BR、Rockwell、Beckhoff，以便有更好的工具接口和工作流；另外，三维CAD模型文件可直接导入，使用友好——数小时即可获得结果，而不是数周或数月。[9]
数字孪生支持从创新概念开始到得到真正的产品的过程。从产品设计、工艺设计验证、生产线设计优化，到生产运行、质量检测和产品提交。
加速试验武田制药（Takeda）开发了一套指导制造商生产的流程。医药行业的质量把控和监管十分严格，任何创新都必须在开发实验室进行全面的合规性测试之后才可投入正式生产。一种新药的问世可能需要长达15年的时间。因此，他们一直都在寻找能加速试验进程和业务流程的方法。即使在数字时代，医药制造流程仍包含人工操作。例如，生产生物制品、疫苗和其它从活体中提取的医药产品都涉及生化反应，这些反应多变且难以测量，因此实现自动化无疑是一大挑战。迄今为止，还没有实现这些生产步骤的自动化。他们认为，真正的端到端的生产自动化就是这个行业的最高目标，其中数字孪生技术彰显了重要的作用。孪生技术可帮助团队加速试验进程，开发新的生产方法并生成数据以便做出更明智的决策和预判，从而实现复杂化学和生化过程的自动化。制药行业真正的驱动因素是围绕整个流程建立的控制架构，并且其基础是在发展过程中逐渐成熟的复杂的数字孪生体。最终目标是建立一个无需人工干预即可控制并引导自动化流程的数字孪生体。在武田制药的开发实验室里，这种生态系统已经建成并运用于生物制剂上。[4]驱动产品创新从新产品开发的角度，产品创新一定要收集产品的运行和服务相关的历史数据，在此基础上判断是否需要提升产品的基本功能和服务环境。在系统孪生数据及其仿真的基础上，通过分析可以发现某些需要进一步改进或提升的地方，例如是否需要收集新的数据，是否需要提升云支持环境中的某些软件（包括App）的功能等。产品创新的