近幾年來，“數字化雙胞胎”早已不是什么新鮮詞。但是，能夠把這個概念真正解釋清楚的人并不多。我們將通過本文為您介紹，什么是數字化雙胞胎；以及更重要的是，它能應用在哪些地方。即便對于中小型企業來說，引入數字化雙胞胎也能有效地降低時間和金錢成本。
什么是數字化雙胞胎？
數字化、數字化轉型和數字化雙胞胎有著千絲萬縷的聯系。但這三個看起來非常相似的概念，實際上擁有不同的含義。首先，數字化是一切的基礎，是在時代發展的背景下，對任何數據進行收集、處理和評估的過程。得益于數字化信息交換，各個類型的流程變得更快捷、更移動化；數據和信息得以互聯，不再依附于單個特定平臺。新的商業模式誕生，舊有模式面臨轉型。數字化轉型意味著以數字化為基石的變革過程。
數字化雙胞胎是物理世界中有形（比如生產單元中的設備）或無形（比如抽象邏輯）的對象的數字表示。無論這一對象是否已經存在于物理世界，還是它即將被生產或構建出來，都無關緊要。你也可以把數字化雙胞胎理解為傳統仿真模型的數字轉換，它無需等比物理模型，人們就能通過數據創造新的東西。數字化雙胞胎既不是某一款軟件，也不是一個具體產品。它代表一個概念，一種連接過程、軟件和硬件的方法論，可以為每個公司及其應用程序單獨定制。
數字化雙胞胎對于機器學習來說至關重要，假如沒有數字化雙胞胎，人工智能的成功是很難想象的。
一個飛機駕駛艙的數字模型CAD和數字樣機
早在數字化進入私人生活之前，電腦就已經對科研和航天航空領域的復雜計算不可或缺了。起初自動數字組合軟件，不同高度專業的系統之間無法進行數據結果交換、兼容和轉移。直到第一個CAD系統及其相應的交換格式被開發出來，這些問題才得以解決，人們可以同時平行使用多個系統進行運算。
作為先驅者的NASA最先提出了數字化雙胞胎概念。航空業對于數字化雙胞胎技術的推動并非巧合，飛機一直具有結構高度復雜的特性，此外，其功能和安全性也非常重要。正因為人們想找到可以取代昂貴、耗時的物理測試的方法，數字模型才會誕生。長時間以來，飛機、船和汽車制造已經完全數字化。
功能性數字模型和數字化雙胞胎組合
功能性模型指的是，采用和連接不同領域的子模型（例如電氣工程計算機輔助設計、機械計算機輔助設計 、工廠模擬等的模型），以測試整體功能。但是，由于模型的結構往往非常復雜，需要為每個應用單獨進行開發，整個過程不僅耗時，其整體價格也十分昂貴。通常只有航空行業或汽車行業的大型制造商才能負擔得起這樣的投入。
但數字化雙胞胎不需要一遍又一遍構建復雜的行為模型自動數字組合軟件，在價格和時間成本上具備優勢。得益于模塊化概念，數字化雙胞胎概念由多個組件或系統的數字化雙胞胎組成，每一個雙胞胎都可以根據具體需求和項目需要映射不同的屬性。比如有的可以映射幾何和運動細節，有的用于展示組件的機電特性，有的則用于流程和邏輯。你可以把每個數字模塊理解為一塊樂高積木，通過和標準化接口的組合，這些“積木”將構建出龐大、復雜的數字孿生體。
自動化技術中的數字化雙胞胎
為了實現更高的生產效率，精準把握產品上市時間，工廠所承受的壓力很大。為此我們必須確保生產盡可能不被中斷，對生產過程進行周密規劃。在單個生產項目中，越晚發現規劃錯誤，或者越晚進行調整，由此所產生的成本開銷就越大。因此，制造商們無不希望可以盡早評估設備安裝和調試過程中的所有潛在可能。系統數字模型為提前在虛擬模型上對編程進行測試和驗證創造了條件。
-VOTAN? BIM三維激光切割場景及其數字化雙胞胎
德國科隆食品加工展覽會Anuga 上，包裝產線的數字化雙胞胎
機器人或機床只是自動化系統的一部分。除了夾具、刀具和其它末端執行器外，還有安全區、防護圍欄、傳送設備等元件。一個自動化項目是多層面的（見下圖）。
自動化金字塔
如果要在水平和垂直層面上執行自動化項目，需要運用跨學科方法。自動化雙胞胎正是一個統一的、貫穿始終的協作基礎。借助數字化雙胞胎，您可以在系統實際建立之前，對零部件進行優化，并設計、準備和測試PLC及控制程序。CAD數據是機器人或CNC離線編程的基礎。通過數字化雙胞胎，PLC和控制程序得以被創建和測試，即使物理環境中的真實設備尚未搭建完成。下圖將普通項目流程和運用了數字化雙胞胎項目的流程進行對比，后者相比前者大幅縮短了生產時間，并且能顯著提升產品質量。
軟件在環 (SIL)
得益于機電模型的模塊化構造，您可以在規劃和設計階段通過使用數字模型對加工系統進行編程。PLC、CNS和機器人編程等可以同步進行，無需等待其它部門的配合。通過軟件在環 (SIL)，便可創建一個精確的PLC或機器人控制器的虛擬拷貝，即所謂的虛擬控制器。該虛擬控制器和運動系統模型的數字化雙胞胎直接關聯，所有的控制細節都將被一對一地映射。對于編程而言，無論是連接這一虛擬控制器，還是真實的控制硬件，都不再有任何區別。
硬件在環 (HiL)
傳感器、執行器、控制元件，以及電氣和控制柜結構，有時需要借助物理環境中的硬件來進行配置。隨后，便可將它們連接到數字化雙胞胎上。程序被上傳到控制器后，可以在真實的生產設備上被驗證和修改。如果多個部門必須共用一個真實環境中的控制器硬件，數字化雙胞胎可以確保地理位置不同的各個公司部門仍能同時協作。
為設備操作員提供更安全的工作環境
數字化雙胞胎為員工培訓創造了新的可能。從故障檢測，到加工設備停機應對，再到加工系統的維修，所有這些情景，都可以在調試之前或調試過程中無風險地展開培訓，從而確保了新手操作員的安全。
數字化雙胞胎遠程教學遠程服務和新的商業模式
數字化雙胞胎的價值還在于，您可以非常早地識別加工單元或單元中的某個元件何時出現異常，甚至預測即將發生的故障（預測性維護）。除此之外，您的程序將被顯著優化——路徑規劃將避免過于強烈的加速和減速，電動、液壓和氣動的優化等等。長遠來看，這對于降低生產成本有非常顯著的影響。此外，數字化雙胞胎還促進了全新商業模式的誕生。比如您可以在辦公室導入零件的CAD信息，再遠程上傳到生產設備上。這將大大縮短生產時間。
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