2.1 数字孪生技术应用的发展范式

孪生精度、孪生时间和孪生空间是评价数字孪生发展水平的三大要素。孪生精度指数字孪生反映真实物理对象外观行为、内在规律的准确程度，可以被划分为描述级、诊断级、决策级、处置级等。孪生时间指孪生对象和物理对象同步映射的时间长度，可被划分为设计孪生、设计制造一体化孪生、全生命周期优化孪生等。孪生空间指单元级孪生对象在通过组合形成系统级孪生对象的过程中，所占用的实际物理空间大小，也从侧面反映了孪生对象的复杂程度，可被划分为设备孪生、产品孪生、产线孪生、车间孪生、工厂孪生、城市孪生等。理想数字孪生发展范式如图2-1所示。

图2-1　理想数字孪生发展范式

从孪生精度发展范式来看，数字孪生由对孪生对象某个剖面的描述向更精准的数字化映射发展。如果对一个物理对象进行数字化解构，其包含了对象属性、外观形状、实时状态、工程机理、复杂机理等不同的组成部分，而每个部分均可通过数字化工具在虚拟空间内进行重构。如信息模型可用来表述对象属性，CAD建模可用来表述外观形状，实时状态可以通过IoT数据采集进行表述，工程机理可以通过仿真建模进行验证，人类尚未认识的复杂机理可通过AI绕过。而传统数字化应用更多的是在描述物理对象的某个剖面特点，数字孪生基于多类数据与模型的集成融合实现了对物理对象更精准、更全面的刻画。孪生精度发展范式分析如图2-2所示。

图2-2　孪生精度发展范式分析

从孪生时间发展范式来看，数字孪生由当前从孪生对象的多个生命时期切入开展“碎片化”应用，向自孪生对象诞生起直至报废的“全生命周期”应用发展。由于不同的企业数字化发展水平不均衡，仅有少数企业自资产研发阶段便开始积累孪生数据和孪生模型，更多的企业仅仅在批量生产阶段和运维阶段才开始碎片化地打造数字孪生解决方案，这使得数字孪生并未有效结合研发阶段的孪生模型开展分析，难以发挥出数字孪生的潜在价值。从长远来看，随着企业日益重视数据资产价值，未来会有越来越多的企业自产品研发阶段便开始打造数字孪生解决方案，直至应用到产品报废。孪生时间发展范式分析如图2-3所示。

图2-3　孪生时间发展范式分析

CAE：计算机辅助工程　MOM：制造运营管理　WMS：仓储管理系统　APM：应用性能管理

MRO：维护、维修、运行及停机大修的物料和服务

从孪生空间发展范式来看，数字孪生由少量孪生对象简单关联向大量孪生对象智能协同的方向发展，打造复杂的系统级孪生解决方案。任何一个复杂的孪生对象都是由简单的孪生对象组合而成的，比如设备是由机械零部件组成的，车间是由不同设备组成的，不同类型的车间又组成了工厂。在由单元级数字孪生向复杂系统级数字孪生演进的过程中，不同类型、不同尺度的独立孪生对象持续加快信息关联和行为交互，共同构建一个复杂的孪生系统。孪生空间发展范式分析如图2-4所示。

图2-4　孪生空间发展范式分析