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说人话：我理解的8种工业数字孪生

2022/3/30 22:06:06 人评论次浏览来源：里聊智造分类：新闻

“工业数字孪生行业的最大共识，就是没有共识！”

当我和同事讨论起工业数字孪生，这句话就是我们短暂达成的共识。

工业数字孪生概念兴起也有好多年了，造词专家Gartner几乎每年都提，信通院、赛迪、四院、一所、工业4.0研究院等很多研究机构也都发布过不少相关研究，但即便是我这种有专业背景的人，依然觉得他们各种概念辨析堪比玄学，云里雾里。

与其辨析概念，不如看市场大家到底在做什么。就个人了解，市面上厂商们在干的事情并没有那么复杂，本人理解下来，可以分成共3大方向的8种来讨论：设备数字孪生、产线数字孪生、企业数字孪生。

设备数字孪生

设备数字孪生，最常见的一种，是建立设备的3D模型，同时用设备运行实时数据驱动模型，使3D模型和真实设备保持同步。

呈现效果看起来很炫酷，但是专业的设备管理和生产管理人员似乎对此并不感冒，且不论如何保证通信实时性，他们主要设备运行数据主要用于跟进设备运行状态，发现问题，增加的3D实时显示部分，可能主要是对领导、学生、外行等更直观和友好一些。这是本文提到的第一种数字孪生。

如果不考虑数据实时性的话，设备数字孪生，更多的概念应该是虚拟样机，基于虚拟样机可以做设备的运行模拟、仿真、教学等，在设备研发阶段具备较明显的价值。

设备虚拟样机在复杂装备领域之前基于CAE技术做的较多。CAE是一个很专业，且对计算要求较高的领域，所以工业设备的CAE，大多会针对设备的不同系统和领域，分别做建模和仿真，例如用Simulink建模仿真设备的控制系统，用Ansys仿真计算设备构件的结构强度，用ADAMS建模仿真设备的机械动力学，用fluent仿真设备的流体动力学等。同时模拟一个复杂设备的所有电子、机械、结构等性能的虚拟样机，好像并不多见，也没必要。

这些虚拟样机，与现在所说的数字孪生，有两个明显的不同，一是对3D模型显示的要求不高，很多都需要根据各自情况建立各自的模型，仿真结果也基本只需要基础3D显示就可以。二则是大部分的仿真都是需要复杂的数学计算（数值方法求解多元多次方程组），难以实时化。

但由于这些虚拟样机一般建立在研发设计阶段，缺少设备实际运行情况作为结果反馈。如果用IoT技术，把设备实际运行的数据收集，并反馈给虚拟样机，用于设计验证和校正，可以改进设计，我理解这也可以算一种数字孪生，也是本文的第二种数字孪生。

机械动力学模型——汽车前悬架

结构有限元模型——叶轮

控制系统模型——电力控制系统

当然，这是对设备研发而言的，相当于把设备打开成白盒进行分析，能够结合输入的变化，仿真模拟设备的实际运行情况。

而对设备的使用者而言，他面对的设备是一个黑盒，如果想要使虚拟的设备模型能够像真实设备一样的对各种输入做出对应反应，则需要构建一套黑盒化的设备模型，完全模拟出不同输入下，设备的运行状态，这事看起来就挺有挑战的。这是本文说的第三种数字孪生。

产线数字孪生

产线数字孪生，最常见的就是通过3D建模，把整条产线做成3D可视化，并实时或非实时同步产线各设备运行及物料流转状态，整个模式同设备的第一种数字孪生类似，问题也类似，只是把产线状态更直观的呈现。就作者问过的一些生产管理者，他们似乎并不觉得这个有很大用。这是本文提到的第四种数字孪生。

而在产线设计阶段，模拟产线运行情况，检验干涉、节拍是否满足要求等，是很有必要的事情，对应也形成了一个本科专业：工业工程。多年来相关工程师也一直在通过仿真软件做产线的设计和仿真。这种仿真因为产线建成之后一般不大可能经常改动，所以建成后数据反馈给设计持续优化并不常见。如果有人把这个叫做数字孪生，那就是本文的第五种数字孪生。

西门子工业工程软件——PlantSimulation

达索工业工程软件——Delmia

先小结一下

设备和产线各自的第一种数字孪生（本文第一和第四种），总体技术路线比较接近，也是目前市面很多厂商做的最多的形态，所以先在此多说一点。产线数字孪生还有另一种形态，技术路线与前面差异较大，后面会讨论。

设备和产线的第一种数字孪生，技术路线大体都是设备/产线3D建模，IoT数采和系统对接，驱动3D模型，整个技术路线围绕3D建模展开。

但3D建模对工业行业和影视行业来说，是不太一样的两件事。

工业设备的研发设计过程，已经实现了全流程3D模型化，从设计到仿真到加工都可以基于3D模型。建筑行业这两年流行的BIM，无非是在学习工业而已。但也因为用于专业人士研发设计，所以这些3D模型给人最直观的感觉是，视觉效果不好（文章上面的图已经体现了）。但视觉效果之外，工业3D模型更核心的特点是，这些模型是参数化的模型，包含了装备的各种尺寸、公差等技术属性。UG、PTC、达索的相关软件为此都有各自的模型文件格式，但因为整体类似，大家也会用.stp等通用文件格式做数据交换。

影视游戏行业的3D模型，更注重视觉效果，所以走的是另一个方向，影视游戏用的3D模型更可以理解为薄薄的一层壳，由一系列多边形或三角形面片构成，通过复杂的光照材质设置，可以渲染计算呈现出逼真的视觉效果，但是模型并不包含设备参数技术信息等，3d Max、Maya、Cinema 4D等不同软件和Unity、Unreal等不同引擎也都有各自文件格式，但总体也都支持.fbx等通用格式做数据交换。

两类模型对应两个技术体系，虽然也有一些结合点，例如工业设计（例如汽车外形设计，先用Alias等工业设计软件做出外观和逼真效果图，再以此尺寸为基础做机械设计），但更直接的影响是，影视游戏3D开发工具，如Unity引擎，较难直接利用工业3D模型，例如.stp文件。

所以很多公司做设备和产线3D模型，恐怕都是直接新建例如.fbx格式的3D模型，并导入3D引擎，再做功能开发。在3D模型之上，通过面对对象建模，为设备增加多少逻辑功能，就看不同公司的定位了。

但不管怎样，这种数字孪生，都更像是3D版本的设备看板、组态，与原理仿真的虚拟样机，还有不小的差别。

正因为最后效果就是一个3D的可视化呈现的区别，所以也存在一种讨巧的办法，即把2D的组态里的设备图标，做成3D的样子，不旋转视角的情况下，看起来也像是3D显示了设备，这个捷径姑且可以简称2.5D，这可以算本文提到的第六种数字孪生。

就作者有限的与一些工业企业人员交流来看，他们似乎不太理解这种级别的数字孪生有什么实际用途，但被不住行业内卷，有的确实在建。

有市场自然有人优化工具。不论2.5D还是3D，为了更快的开发，市场不少厂商都推出了工业数字孪生开发平台/引擎，相比于通用的Unity引擎，预制很多工业相关模块，让开发更简便。

企业数字孪生

企业级数字孪生是近两年伴随着云原生而逐渐兴起，它已经和前面的3D技术为核心的数字孪生是两码事了。

企业级数字孪生也要建模，但建模的概念不是3D建模，而是软件工程里的对象模型的概念，将业务对象抽象成逻辑对象，建立对象的描述和关联关系，从而在软件开发层面，把实际数据和上层应用在数字孪生层做一次隔离，上层应用基于数字孪生对象构建，从而和下层的实际数据做了分离和解耦。

企业级数字孪生在平台体现较多，具体需要结合DDD动态领域建模思想，并可以将对象服务封装成微服务，从而支撑基于微服务的APP构建。PTC、华为云、阿里云等互联网平台支持企业级数字孪生的构建，这种数字孪生是本文的第七种数字孪生。这些具体技术太专业，在此不做展开，“阅读原文”有个华为的介绍，相对更为详细和具体。