隨著科技的進步，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在興起，以“智能制造”為主導的“工業(yè)4.0”、“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”——第四次工業(yè)革命已經(jīng)到來。因此，各國先后提出了工業(yè)4.0、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、先進制造合作伙伴計劃、2025年中國制造等先進制造戰(zhàn)略和方法。同時，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等先進技術為智能制造的實現(xiàn)提供了強有力的支持。然而，在智能制造的實踐過程中，我們一直面臨著信息空間與物理空間的交互和整合的瓶頸，因此提出了工業(yè)數(shù)字孿生的解決方案。

數(shù)字孿生是充分利用概念模型、傳感器更新、運行歷史等數(shù)據(jù)，整合多學科、多物理量、多尺度、多概率的模擬過程，在虛擬空間中完成投影，反映相應物理設備的整個生命周期過程。

車間生產(chǎn)過程數(shù)字孿生系統(tǒng)的構建和應用本質(zhì)上是一個由物理實體和孿生模型組成的功能系統(tǒng)，可以進行持續(xù)的過程優(yōu)化。因此，數(shù)字孿生也是信息物理系統(tǒng)的關鍵技術之一。工業(yè)數(shù)字孿生技術已應用于產(chǎn)品設計、設備運行和維護、添加劑制造。

數(shù)字孿生系統(tǒng)包括設備層、感知層、驅(qū)動層、網(wǎng)絡層。其中：

①設備層包括車間現(xiàn)場的各種設備，如自動老化機、安裝／檢測機器人，抓取機械臂等。這些設備的運行數(shù)據(jù)為工業(yè)數(shù)字雙車間系統(tǒng)的運行提供了所需的數(shù)據(jù)。

②感知層用于車間異構多源數(shù)據(jù)的即時采集和數(shù)據(jù)預處理，包括設備運動數(shù)據(jù)采集、運輸行為感知、生產(chǎn)線材料信息感知、設備狀態(tài)感知、環(huán)境感知等。感知層利用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊，通過數(shù)據(jù)通信協(xié)議讀取和存儲多品牌、多接口、多協(xié)議的設備即時狀態(tài)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦I(yè)數(shù)字雙車間系統(tǒng)；對于沒有相關數(shù)據(jù)接口的機器，通過布局傳感器計算相關狀態(tài)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)采集。

③驅(qū)動層負責上游感知層數(shù)據(jù)的投影，通過工業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)構建真實物理行為高仿真投影的虛擬仿真環(huán)境，實現(xiàn)物理車間與虛擬車間的同步投影。驅(qū)動層包括分析數(shù)據(jù)、變量匹配、運動控制等過程，其中數(shù)據(jù)分析過程通過輪查獲得感知層發(fā)送的json格式數(shù)據(jù)流，實時取值數(shù)據(jù)流中與運動控制相關的變量；然后，變量匹配過程通過名稱找到運動機構模型，并匹配相應運動控制系統(tǒng)的相關變量；最后，立即驅(qū)動相應的三維模型，完成拾取、放置和推拉。

④網(wǎng)絡層基于實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的虛擬車間實現(xiàn)了車間制造資源的三維可視化導航和車間物理動作的模擬和實時監(jiān)控。通過打開虛擬觸發(fā)信號，對車間現(xiàn)場設備狀態(tài)信息、生產(chǎn)工藝參數(shù)信息、車間物流流程、產(chǎn)品質(zhì)量信息和設備故障管理診斷信息進行顯示、分析和管理，形成車間虛擬監(jiān)控平臺，實現(xiàn)車間透明生產(chǎn)、故障問題再現(xiàn)和模擬，滿足車間可追溯性分析、實時監(jiān)控和預測模擬的需要。

數(shù)字孿生作為十大戰(zhàn)略技術發(fā)展趨勢之一，是連接制造物理世界和數(shù)字虛擬世界的紐帶。通過工業(yè)數(shù)字孿生改進生產(chǎn)經(jīng)營，實現(xiàn)全價值鏈的閉環(huán)反饋和持續(xù)改進。未來，工業(yè)數(shù)字孿生車間將逐漸滲透到各種工業(yè)工廠中。

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