数字孪生技术在工业制造中的应用

20世纪60年代，美国经济学家Raymond Vernon提出产品全生命周期（product lifecycle，PL）的概念，并提出了产品生命周期的投入、成长、饱和、衰退四个阶段理论。随着各类计算机辅助技术（CAT）和产品数据管理（PDM）等技术的进一步发展，更加适合现代制造业的产品全生命周期管理（PLM）出现并引起国内外广泛关注［74］。PLM将产品的寿命划分为研发、制造、服务、报废四个基本阶段。虽然研发与制造之间存在迭代关系，以及服务阶段会产生返修订单等，这些易导致划分出的四个阶段相互交织，但这一划分模式为企业理解与运作产品的各个阶段提供了基本的方法［6］。具体到生产活动，PLM可根据不同企业不同产品的特点继续划分为更小的活动单元。PLM最大的价值并不是使企业对产品全方位信息实现清晰全面的管理，而是其中的“精益”思想对企业节省资源方面的改革所起到的指导作用［75］。这种指导作用能帮助企业缩短研发周期、优化制造流程、节约制造成本、提高协同效率、改良质量把控、提高产品利润，进而提高企业整体的运行效率［74］。此时PLM被定位为一种用来管理构成生产活动的人、流程与技术的先进方法。

但是，PLM并未真正在制造业大放异彩，人们对它的认识和运用程度仅仅是将其看作一种管理方法［38］。随着数字孪生技术的出现和发展，PLM技术的实现途径逐渐清晰，其理念与预想将逐渐变为现实［76］。

5.2.1　基于数字孪生技术的PLM新内涵［77］

PLM理念侧重于创新，希望从产品的创建、设计、迭代、修订和决策的完整历史中清楚地分析整个产品生命周期，促进创新。PLM所创造的企业管理战略拥有规范又不失灵活的设计开发流程，以及兼顾结构化与非结构化的信息与数据。PLM是一整套高级的数据管理方式，集成了产品数据管理、并行工程（concurrent engineering）、企业系统集成（enterprise system integration）等管理与技术，囊括了整个企业多年积累的所有产品相关数据［78］。因此PLM的实施途径必然要回归其本质：数据和数据管理软件［79］。而数字孪生作为数据附着的载体，具有同系列产品的全过程全要素信息，与PLM所追求的对智力与信息财富的充分利用，以及其管理生态化的使命相吻合。因此借助数字孪生，PLM在实施过程中拥有明确而统一的管理对象和操作对象。同时，当有了现实产品在虚拟空间中的“孪生体”，通过设置访问权限，任何企业部门均可从此“孪生体”上提取所需信息，从而形成一种直观的协同、联合的方式，为多功能、多部门、多学科、多外协的生产模式创建了信息集成、汇总、分发与流通的“血管”与“神经”［80］。虚拟的“孪生体”是整个产品生命周期的数据、模型及分析工具的集成系统，此时PLM便可按照其内外驱动因素，在企业管理与制造业改革中运作起来。因此基于数字孪生的PLM有了新内涵：借助数字孪生技术，围绕产品数字孪生体执行产品研发、制造、服务与报废的全生命周期，将产品全生命周期的数据集成于数字孪生体，从而实现精益生产理念，并延长产品寿命。

5.2.2 PLM中的数字孪生

将数字孪生应用于PLM各个阶段，可为PLM的可定制化、多层次协同、全生命周期数据管理、知识共享与重用、数字化仿真的需求提供支持。由于PLM理念所依赖的系统研发、布置与改造活动规模宏大且价格昂贵，倘若一一对比PLM的所有理念和模块全部建设，也不符合PLM所注重的应用灵活性，因此PLM系统在企业运用的实际中，应结合企业具体需求，统一规划，按需建设，重点受益［6］。以下是一些在应用方式上具有代表性或通用性的范例。

5.2.2.1　产品研发阶段的数字孪生

（1）需求分析。

需求推动产品设计和创新。需求是影响产品的根本因素，需求决定产品的结构、配置、功能，需求微小的改变，可能带来产品巨大的变化［74］。对于涉及成千上万的零部件的复杂产品，理清各种需求与产品配置的关系，是产品不断更迭长远发展的需要。需求来自用户的意愿，配置体现于产品，这种对应关系可以在虚拟空间中得到映射，如图5-3所示，已淘汰的同类产品的数字孪生体中包含着产品的需求与配置信息，这些信息在研发、服务、报废的各阶段不断产生。在研发阶段会产生为满足用户初始需求而设计的配置，在服务阶段会产生为满足用户增加需求而变更的配置，在报废阶段会产生为满足报废与回收需求而设计的配置，将多代产品的需求与配置信息集成，即可形成“需求—配置”关系表。利用不断完善的“需求—配置”关系表，在产品研发初期便可迅速确定本代产品将会采用的配置模块，形成配置一览表，甚至快速计算得到成品的形貌，尤其对于飞行器、船舶等拥有数以亿计零件的大型工业产品，将大大节省研发初期投入的时间与人力资源。

图5-3　需求分析活动中的数字孪生

（2）设计记录。

从某种意义上讲，设计是将产品概念转化为数据的过程。下面围绕产品数字孪生体开展产品设计工作，从六个过程讨论数字孪生体的运用方式（见图5-4）。

图5-4　产品设计阶段的数字孪生

①同一个设计人员的不同版本记录。一个设计人员在设计过程中会产生多次修改，形成多个设计版本，在本次设计中被舍弃的设计版本，极有可能在后续同类产品的研发工作中被参考或采用，例如当确定某些经验数值时可减少测算次数或提高精度等，足够多的设计版本便形成了对照表，可对后续的产品研发提供巨大的参考和帮助，其价值随着记录数量的增长而快速增长，最后可上升为企业的核心设计资料。

②不同设计人员之间的协同设计。数量庞大的设计数据往往分布在不同的设计部门或同一部门不同设计人员手中。为了提高设计效率，这些设计部门与设计人员必须一致围绕公认、公开的同一模型进行设计。该公开的模型便是一代产品数字孪生体的雏形。此时数字孪生体虽然还未成为产品在虚拟空间中的真实表达，但已拥有了随时追溯的机制，而这一机制赋予了整体研发工作迅速响应产品变更的能力［6］。

③官方决策。这一初始的数字孪生体代表了产品研发进程的最新进展，肩负着产品研发的官方决策责任。该数字孪生体负责实时更新产品的各个组件，使任何一个设计人员在任何时刻看到的产品设计信息都是最新的。因此，可以避免设计版本管理混乱的问题，提高协同设计效率。

④设计评审辅助。通过审查该数字孪生体，可以评定设计短板，及时变更设计管理方案或调控设计人员，使设计任务能够按时完成，甚至由于数字孪生体始终同步最新设计进展而免去传统设计评审。

⑤初建服务清单。设计过程中由设计人员分析总结出的产品售出后，可能需要将进行维护的项目及维护技术记录到产品数字孪生体中。

⑥数字样机功能。随着设计进度的不断推进，不断完善的数字孪生体具有了数字样机的功能。数字样机可应用于复杂的分析场合，如结构分析、装配分析、动力学分析或碰撞分析，甚至可以代替物理样机［81］。

一代产品的数字孪生体在设计阶段结束后已具备完整的模型，且能够进行复杂的分析计算，此时数字孪生体起到了产品模板的作用，后续的生产与服务工作将完全依照该数字孪生体所设定好的数据安排进行。

（3）采购协同。

采购连接资源市场与企业设计制造人员。采购既是一个商流过程，也是一个物流过程，因此采购工作主要有采购成本最小化与采购周期最短化两个目标［81］。采购员越早获得采购信息，采购成本与周期就越容易得到控制。如图5-5所示，从两个方面论述采购活动中数字孪生的应用方式：

图5-5　采购活动中的数字孪生

①数字孪生体向采购部门的信息输出。产品设计阶段中数字孪生体逐渐完善，因此在产品设计阶段甚至早在需求分析阶段，便可向采购员输出如采购对象与最小采购量等采购信息，帮助采购员及早确定采购计划，规划采购流程，与供应商商谈。同时数字孪生体也应开放一定的端口给采购部门，使得采购部门也围绕最新的研发进度实时调整采购计划。

②采购部门向数字孪生体的信息录入。采购员将获得的实际采购信息及时上传至数字孪生体中，作为数字孪生体采购数据的一部分，这些采购信息对于后续开发控制成本具有巨大的参考价值。此外，数字孪生体还需收集采购件本身在虚拟世界中的对应模型。对于螺栓、气动接头等标准件，所需收集的一般只是其CAD模型和批次信息；而对于伺服电动机、电路板、控制器、LED屏幕等具有完整功能的组合体采购件，则需收集其完整意义上的数字孪生体，即本代产品的数字孪生采购信息中应嵌套采购件的全生命周期信息。采购件被本企业购入以后就处于其服务阶段，因此需依靠其对应的数字孪生体来了解其供应商及其上游供应商及制造商甚至设计商，在各自的工作阶段对产品做出的创造和改变信息。这不仅要求本企业采用基于数字孪生的PLM理念来管理企业，还要求供应商企业也拥有类似的系统架构，能够在货品输出时同时输出其虚拟信息作为附属产品一并销售［6］。

（4）营销准备。

营销活动包括线下活动营销、电视广告营销等多种手段，配套的营销材料也有手册、平面广告和视频广告等多种形式。营销材料在过去往往具有不确定性：

①基于物理产品，因此营销活动必须在物理产品被制造之后才能进行；

②脱离物理产品，在物理产品制造完成之前提早进行营销活动，易存在实际产品与宣传产品不符的风险，而基于数字孪生体的营销则排除了这一风险。

如图5-6所示，数字孪生体将同步输出营销信息，由于数字孪生体在设计阶段被修改时，营销材料也随之一起变动，须确保营销材料所宣传的产品信息与实际设计的产品保持一致。使用与设计同步输出的营销材料，即可避免营销活动的推迟，也不需依赖实体制造部门的生产进度。如今图形化的营销材料可以从数字孪生体的几何信息中方便地读取，营销图片可以从虚拟产品中截取，而从虚拟产品中获取视频材料的技术手段也在进步并已有一些应用，如机械产品与车间生产仿真动画的输出等实例。

图5-6　营销活动中的数字孪生

5.2.2.2　产品制造阶段的数字孪生

（1）快速成型。

在产品设计完成后，对于具有复杂外形的产品如汽车等需要创建产品的外形原型，以供概念展览或设计评价。如图5-7所示，增材制造只需输入虚拟模型即可输出物理实体，由于忽略了空腔或曲面等结构的难加工问题，使增材制造成为一条效率极高的联系虚拟产品与物理样机的通道。将数字孪生体中的三维模型信息输入增材设备，记录打印版本及打印数据，此时数字孪生体就有了相互映射的物理实体。

图5-7　增材制造中的数字孪生

（2）工艺流程。

工艺流程的编制将设计转变为制造方法和步骤。如图5-8所示，专业工艺人员将其经验知识总结为工艺信息库，记录几何特征与工艺的匹配关系；数字孪生体对设计方案进行智能特征识别，识别获得的设计特征经由工艺信息库的处理，即可自动转换为对应的工艺。借助生产工艺仿真环境，智能匹配的工艺将在工艺工程师的监督下进行修订与仿真，逐步确定工艺顺序与工艺参数，并将结果返回数字孪生体进行存储。当设计方案变更时，数字孪生体即时更新，识别特征、匹配工艺与工艺顺序、工艺参数也随之更新，这一始于数字孪生体的工艺规划过程具有实时存储、即时响应、闭环调整的特点，从而使得设计与工艺规划能够同步进行。

（3）加工装配。

(www.chuimin.cn)

图5-8　工艺流程编制中的数字孪生

加工与装配是执行工艺的过程，在该步骤中，产品将从一个设计方案实例转化成一批物理实体，这一过程是整个制造阶段中涉及企业资源最广泛和复杂的过程。在加工与装配阶段，数字孪生车间（digital twin workshop，DTW）代表数字孪生技术扮演着关键角色。数字孪生车间在车间孪生数据的驱动下运动，以实现生产和管控的最优为目标［68］。如图5-9所示，数字孪生车间与数字孪生一样，同步进行以虚映实、以虚控实两个过程，以虚映实体现为虚拟空间对物理车间进行全方位全要素实时监控，以虚控实体现为对虚拟车间内部进行实时仿真与预测，并将计算结果返回并作用于物理车间。

①以虚映实。数字孪生车间起到的监控作用不同于传统的视频监控，虚拟车间的超写实性决定了数字孪生车间所提供信息的宽度与深度远远超越了传统监控摄像头。数字孪生车间基于布置在车间底层的传感器与物联网，能够将一切有价值的数据如生产资源位置、库存数量、设备状态、物料状态甚至噪声、振动、气体信息以可视化的方式刻画在虚拟车间中。而数据推送方式可任意定制化，如数值直接显示、二维图表、通过颜色代表参数等级等，当某项生产指标不在要求阈值之内，虚拟车间将报警。除了通过物联网和传感器采集数据之外，数字孪生车间还具有完备的数据仿真、分析、推送功能，能够挖掘某一时刻车间深层的状态，有利于预防差错，确保在工期之内完成生产任务［68］。

图5-9　数字孪生车间的应用

②以虚控实。虚拟车间兼具可操作性，管理人员可实时查看生产现状，并可通过虚拟车间的界面直接向班组长发送消息，甚至可以根据安全要求拥有更高的权限直接控制设备的启停或调整其参数。此外数字孪生技术的运用使车间资源调度不再是一个与现实有时差且基于假设的先验与计划行为，而是一个在线、实时、以实际情况为根据的智能调整过程。数字孪生车间仍需继承传统离线仿真环境的架构与算法，但其驱动数据源的写实性和实时性规避了传统离线仿真仿而不真、时效性差的缺陷。

（4）制造记录。

如图5-10所示，制造过程中会产生两类数据，分别为车间生产数据与产品属性数据。将车间生产数据总结为工作指导书对加工与装配过程进行记录；将产品属性数据记录在完工文件中对制造过程中产品添加的特征进行记录［6］。工作指导书与产品完工文件是车间与产品的数字孪生体的完工信息。完工信息集成了产品设计与产品制造两大阶段的数据，同时面向产品维护阶段，是产品维护的主要信息来源。

图5-10　制造记录活动中的数字孪生

①工作指导书。工作指导书是车间数字孪生体的完工信息，其中记录了加工与装配过程中真实采用的工艺流程。对于创新性的复杂产品来说，工艺规划会经历多次修改，因此工作指导书有助于加工与装配工人总结经验、规避同类错误，帮助工艺规划师提高规划能力、增强对本企业加工能力的了解。

②产品完工文件。产品完工文件是产品数字孪生体的完工信息，其中记录着物料清单、工艺流程清单、装配清单、关键特征清单、关键参数清单、检测结果清单、配件清单，并包含产品的最终虚拟模型。其中物料、工艺、装配相关的数据对产品制造过程进行备份，用来改进产品设计和制造过程；关键特征、参数、检测、配件相关的数据是用户说明书的初稿，面向产品服务与维护阶段。虚拟模型是数字孪生在销售与服务中意义的集中体现，当虚拟空间被深度开发广泛应用时，物理产品在销售时应一并销售与其一致的虚拟产品，否则销售将被认为是不完整的。虚实并行的销售方式能够给用户提供最充足的产品信息，且虚拟产品有助于维护本企业对该产品的解释与服务权。

5.2.2.3　产品维护阶段的数字孪生

产品的数字孪生体在制造阶段之前是作为整个企业的研发共同体，而在制造过程中，产品的实例被一一制造，对应的数字孪生体也在一一成长；制造过程将产品概念模型分化为不同批次的多个实例，被制造的每一个物理产品都将映射到虚拟空间中的一个虚拟产品，因此数字孪生体也发生了相应的实例化行为，每个实例化的数字孪生体指向特定授权编号的一个产品，继而指向相应的特定用户。因此在产品维护阶段涉及两个数字孪生体的概念：产品在设计与制造阶段统一遵循的作为模板的虚拟产品称为产品数字孪生体，而制造后特定的单个产品对应的、跟物理产品一并售出的虚拟产品称为产品数字孪生体的实例［38］。在此基础上，构建如图5-11所示的数字孪生在产品维护阶段的运用流程。

图5-11　产品数字孪生体的实例化行为

（1）组件配置管理。

组件配置管理是指随着物理产品的变更而对虚拟产品进行维护的活动［6］。用户购买产品以后，产品进入服务阶段，相应的设计与制造商将开始产品的维护工作。除一次性消费等寿命极短的产品以外，大多数产品都难以维持原厂配置直到报废，产品往往随着使用频次的增加和使用时间的推移会出现零件磨损、疲劳、故障、损坏等情况而需要进行修理或更换组件。当今大多数产品都具有智能决策与计算功能，产品出厂时设定统一的初始状态，在服务阶段产品状态是不断变化的，软件会因用户使用而变更配置，那些具有互换性和标准接口的硬件也常常被替换，因此如果始终根据产品配置出厂时的设定来了解与维护产品可能会发生错误［74-75］。

因此，在产品的维护阶段，产品数字孪生体的实例将发挥重要的作用。如图5-12所示，物理产品的实例将组件信息发送给对应的数字孪生体实例，数字孪生体的实例则会自动响应物理产品的组件变更，如更新物料清单，以替换件代替原件。虚拟产品与实物产品始终保持一致，因此厂家可实时掌握售出产品的状态，也能方便而精确地获得产品的使用人群和用户对产品组件的认可程度等具有深度价值的服务信息。此时产品数字孪生体的实例联系着售后服务人员与用户，售后服务人员以维护产品为目的对产品进行跟踪监控，用户可实时上传使用问题至厂家维护部门，产品维护活动具有来自双方的驱动力和主动性。

图5-12　产品维护阶段的数字孪生

（2）服务清单运用。

服务清单（bill of service，BOS）由设计人员创建，服务于产品售后服务人员。设计人员在设计产品的同时应考虑其可维护程度，可维护程度低的设计会缩短产品寿命，应加以变更。服务清单能够衡量产品的可维护程度，应列出维护项目与维护方法。

对于售后服务人员，服务清单在进行初期产品使用培训、后期产品故障维护的时候都具有显著的应用价值。如图5-12所示，售后服务人员的服务工作将依托于产品数字孪生体的实例与服务清单，根据用户反馈的产品故障报备给产品设计人员，进行服务项目与服务技术审批后前往用户所在地维护产品。此时，产品服务人员与产品设计人员围绕产品数字孪生体开展协同工作，避免发生传统维护工作中售后服务人员因对产品的了解程度不及产品设计人员，而在维护现场出现无从下手的尴尬局面。

（3）产品性能反馈。

产品数字孪生体的实例还应向厂家反馈产品在实际使用中的性能。在产品发布与销售一段时间后，为了解产品性能是否达标，进行产品问卷调查或派遣发展部门的人员前往用户所在地实地调研的方式费时费力，而借助产品数字孪生体的实例，可以方便地获得更全面更客观的产品性能数据。如图5-12所示，产品数字孪生体的实例将定期检测与收集产品各项内在性能参数，这些参数可以反映产品在使用过程中的变化规律，也可用于分析产品性能的影响因素。此外，这些数据能够提供工作状态与设计性能之间的关系曲线，设计人员可以利用该性能偏差在后代产品中进行改进；售后服务人员能够主动、及时，甚至提前提供必要的维护和服务——这种维护远远优于产品出现故障以后才实施的维护。

当涉及安全问题时，产品数字孪生体的实例所提供的服务是无价的，举一个很有代表性的汽车服务行业中的数字孪生理念运用案例：OnStar系统是通用汽车公司的全资子公司安吉星研发并支持的一款车载安全、保障和通信服务系统。装载OnStar系统的汽车，其前后防撞杆、车门、气囊甚至在车顶上都装有碰撞传感器，一旦车辆的碰撞参数超出了设定阈值，系统就会自动联系OnStar呼叫中心，而此时车辆的位置已通过卫星定位实时发送给呼叫中心。OnStar系统在驾驶员无法应答的时候认为驾驶员出现了紧急情况，会立即联系警方及医护人员前往定位地点。OnStar系统虽然不是严格意义上的车辆的数字孪生体，但其职能已涵盖数字孪生的部分服务含义，并取得了显著的效果。此外，可以想象OnStar系统在防盗、导航等方面的其他功能带给用户的服务和便利。

未来，OnStar系统及其改进版本或其他同类服务产品将成为汽车软件系统的标配，并将具体的汽车数据实时发送给服务部门，如车速、转速、油量等信息可提供专业的安全建议，曲轴、变速箱等零部件的负载信息可用来提供保养周期建议。

（4）产品功能完善。

对于传统产品来说，即使产品组件可以更改，但产品功能却维持着出厂设定直到报废。当下出现了很多功能随使用时间的推移而更新的新型产品［6］，这些产品出厂设定的功能仅仅是其基本功能，更重要的功能体验来自用户的偏好和不断增长的需求。对于这种新型产品，产品本身与产品服务之间的界限变得模糊，产品的服务本质上是给产品添加功能，因此厂家在产品售出后依然可以随时方便地更改其产品以满足用户的个性化需求。这一目标借助产品数字孪生体的实例可以轻松实现：如图5-12所示，销售厂家售出产品时保留产品研发团队对产品数字孪生体实例的编辑权限，研发团队即可通过远程操控虚拟产品来写入新的功能，而虚拟产品会自动将新功能添加到物理产品，此类产品的功能实现主要依赖其虚拟产品。

一个应用非常广泛的案例：在智能手机产业中，由苹果公司引领的iPhone产品中蕴含的数字孪生服务理念。21世纪初的手机产品在售出以后，除了手机出现故障以外，没有其他途径和机会将用户与手机制造商联系在一起，直至手机完成其生命周期而报废。而苹果公司在售出其iPhone时，同时售出了对应物理iPhone产品的虚拟产品——苹果操作系统（iPhone Operating System，iOS）。经过十多年的发展，iOS以极快的速度更新换代，当前iOS除作为操作系统管理手机硬件与应用软件之外，同时也是iPhone手机信息的检测者与收集者。每一部iPhone内的iOS都将某些用户使用数据封装为一个数据包发送给苹果公司，这些数据包括激活时间、系统版本、登录账户、硬件编号、搭载应用程序、个人隐私管理密钥等，接受苹果公司的远程管理；同时，苹果公司也通过iOS向每一部iPhone发布新的系统，当用户下载新的iOS时，新系统中的新功能便被添加到iPhone中，如近年来逐渐被添加的家庭朋友账户功能、丢失手机找回功能等。通过虚拟产品，苹果公司实现了对其产品的跟踪监控，也实现了服务与产品本身的融合。在iPhone系列产品的引领下，如今市面上绝大多数品牌的智能手机均可提供在线更新产品的服务。

5.2.2.4　产品报废阶段的数字孪生

不同于传统的产品生命周期，PLM非常重视产品的报废，这一转变来源于日益增长的环保要求和逐渐增强的法制观念。传统的产品报废被看作是简单的遗弃行为而被忽略，而产品数字孪生体的实例却不会因为物理产品的报废而失去价值，反而会将报废产品的生命加以延续。本节将论述产品报废阶段数字孪生技术的运用方式。

（1）报废指导。

由于环保和法制理念的日益增强，任由用户随意弃置产品于自然中进行产品报废的方式越来越难以立足。对于材料不可自然降解的产品来说，企业对其随意弃置意味着环境的污染，甚至将面临法律法规的制裁；对于具有再利用价值材料的产品来说，随意弃置大大增加了材料回收企业的成本，造成社会资源的无端浪费。而对于大型产品来说，产品的报废并不意味着所有零部件都到了报废阶段。产品零部件的磨损与疲劳情况会因不同用户的使用环境、工作负载的不同而不同，到了报废阶段整个产品的状态也不尽相同，因此对所有售出的产品采用统一的报废回收方式是不合适的。借助产品数字孪生体的实例，厂家能够不断监控产品及各零部件的状态，在产品达到其预期寿命准备报废时，厂家根据性能反馈数据总结一份报废指导书来指导用户实施报废，最后被实施的报废方案应作为产品的报废信息回归到产品数字孪生体。

（2）生命信息归档。

物理产品实施报废后，对应的数字孪生体的实例将开始对物理产品的全生命周期加以总结归纳。产品从设计、制造、维护到报废，其全生命周期的所有历史数据均被真实地记录在产品数字孪生体的实例中，进而返回到产品数字孪生体，对其全生命周期进行总结与归档可以分析得到更为深层的信息，如设计人员的设计偏好、设计能力进步情况、企业部门协作程度、企业管理效率短板与漏洞等。针对产品生命信息，Michael Grieves教授从多年经商经验中提出一个潜在的担忧［6］：每一代产品在很多年后回顾，必然存在一定的时代特征，如当时的技术水平、设计理念、法律法规所导致的产品设计、制造特点，其中大多数特点实质为产品缺陷。为防止无良竞争对手委托律师取出早已过时的虚拟产品进行断章取义的起诉，产品的数字孪生体应设置到达一定年限的销毁机制。因此，即便产品已报废，依然要对产品数字孪生体的生命加以控制，既要保证有用信息的随时可调取，又要保证其过时后的销毁机制可控。

5.2.3　一种未来的制造模式——基于数字孪生的制造

数字孪生技术赋予了PLM新的生命，促使PLM开始真正完成其职能和使命。随着虚拟现实、增强现实技术的发展以及嵌入式、通信、控制及计算机仿真技术的大幅进步，产品数字孪生体将从一种虚拟空间中产品全生命周期数字化映射演化为未来制造各个阶段所围绕的核心。由于产品数字孪生体的信息流通在产品全生命周期的闭环性质，产品所有的相关数据在虚拟空间中循环了起来，产品数字孪生体能够为制造各个阶段提供所需信息，承载制造阶段的反馈信息，并且将信息传递和循环。基于此推测从PLM的角度，我们构想一种未来的制造模式：基于数字孪生的制造（digtal twin based manufacturing，DTBM）模式。如图5-13所示，产品数字孪生体是产品生命周期各阶段共同遵循的统一架构，产品的全生命周期历程将是一个产品现实生命周期与产品数字孪生体不断进行数据交互的过程。数据交互这一条件对于产品生命周期的推进是充分的也是必要的：从单一生命周期阶段来说，只有通过从产品数字孪生体中读取本阶段所需信息并返回实际信息，才能使本阶段工作具备可操作性和可服务性；从产品全生命周期来说，只有各阶段都基于产品数字孪生体进行操作，同时面向产品数字孪生体进行输出，才能保证产品信息的积累完整性与来源单源性；从产品更新换代乃至企业发展来说，只有围绕产品数字孪生体，基于历代产品的周期性完整生命信息，才能科学指导企业发展。DTBM模式将真正实现PLM。PLM希望将产品全生命周期的所有数据实现全面而有效的管理，而数据作为字节存储在计算机中，因此PLM必须依靠扩充的制造空间——虚拟空间。正如信息物理系统（CPS）所希望实现的虚实融合的愿景那样，数字孪生技术本质上是要实现虚拟空间与现实空间的融合。而基于数字孪生的制造，实现了以产品数字孪生体为核心的虚拟空间与以产品物理生命周期为核心的现实空间的充分融合。从数字孪生体的模型本质上说，DTBM实质上始于基于模型的定义（MBD），在产品全生命周期过程中融合了基于模型的工程（model based engineering，MBE）、基于模型的制造（model based manufacturing，MBM）、基于模型的维护（model based sustainment，MBS）的概念，在此基础上成为基于模型的企业（model based enterprise，MBE）的雏形。从方法学上讲，DTBM是基于模型的系统工程（model based systems engineering，MBSE）运用于整个制造过程的终极和顶层实施架构。因此不可否认的是产品数字孪生体是一个多模型、多层级、多学科、多接口、多模块的集成模型，其搭载的信息可被产品生命周期各阶段按需索取、按劳供应。

图5-13　基于数字孪生的制造模式

数字孪生究竟能为制造业带来什么价值？商业竞争，“快鱼吃慢鱼”。数字孪生彻底改变了工程师设计和制造产品的方式，能够快速从失败中学习，快速迭代和演变，成为“快鱼”，没有利用数字孪生技术的落后者将很难赶上竞争对手，终将被市场淘汰。数字孪生的价值，就是能够减少产品设计、制造过程、系统规划和生产设施设计所需的时间，缩短上市时间；通过快速迭代持续优化产品技术性能；帮助公司灵活调整，降低成本，提高质量，提高公司各层次的生产力。

在未来，数字孪生无疑会为工业制造领域带来巨大的变革，任何一个产品在其设计和研发之初，便使用数字孪生技术构建一个与之完全对应的数字实体，这个数字实体会伴随这个产品生产制造、上线运行的整个生命周期，方便生产者和使用者对其整个生命周期中的各个重要部件和参数进行实时监控以及运维管理。我们以一架飞机的制造为例：在一架飞机的设计阶段，可以使用数字孪生并结合以往的历史数据来设计飞机的结构和模型，并通过模拟实验来验证相关的设计在各种环境下的性能；在生产阶段则可以利用数字孪生技术实时监控各项生产指标，发现问题时可以及时调整生产策略，从而提高生产的效率和质量；当飞机交付运行后则可以利用数字孪生技术来实时监控飞机的运行情况，从而帮助运维人员制定更好的运维策略。实际上，当前已经有很多制造行业（如汽车、飞机等）开始引入简单的数字孪生技术来提高产品制造的效率和质量。波音首席执行官Dennis Muilenburg就曾明确表示：“数字孪生技术让飞机的质量提升了40%～50%，我们依然处于这项技术很早期的阶段。相信未来，数字孪生和工业制造一定能擦出更多火花。”