《數(shù)字孿生是服裝智能制造的底座》

東華大學(xué)教授     聞力生

上世界六十年代，美國(guó)宇航局（簡(jiǎn)稱NASA）實(shí)施阿波羅計(jì)劃（Apollo program）,這個(gè)計(jì)劃的目的是實(shí)現(xiàn)載人登月飛行和人對(duì)月球的實(shí)地考察。NASA在阿波羅計(jì)劃工程中成功的實(shí)踐之后，在2010年發(fā)布的Area 11技術(shù)路線圖中首次提出了數(shù)字孿生（Digital Twins）的概念。

其定義為：“一個(gè)數(shù)字孿生，是一種集成化了的多種物理量、多種空間尺度的運(yùn)載工具或系統(tǒng)的仿真，該仿真使用了當(dāng)前最為有效的物理模型、傳感器數(shù)據(jù)的更新、飛行的歷史等等，來鏡像出其對(duì)應(yīng)的飛行當(dāng)中孿生對(duì)象的生存狀態(tài)?！?/span>

2002年美國(guó)密歇根大學(xué)Michael Grieves教授在為PLM（產(chǎn)品生命周期管理）中心成立而向工業(yè)界發(fā)表演講而制作的幻燈片中，首次提出了PLM概念模型，模型中出現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)空間，虛擬空間，從現(xiàn)實(shí)空間到虛擬空間的數(shù)據(jù)流，從虛擬空間到現(xiàn)實(shí)空間的信息流，以及虛擬子空間的表述, 見圖一。

全球最具權(quán)威的IT研究與顧問咨詢公司Gartner在2019年十大戰(zhàn)略科技發(fā)展趨勢(shì)中將數(shù)字孿生作為重要技術(shù)之一，其對(duì)數(shù)字孿生的描述為：數(shù)字孿生是現(xiàn)實(shí)世界實(shí)體或系統(tǒng)的數(shù)字化體現(xiàn)。

圖一  數(shù)字孿生最初概念模型及其術(shù)語

我國(guó)覓圖咨詢CIMdata推薦的定義是：“數(shù)字孿生（即數(shù)字克?。菏腔谖锢韺?shí)體的系統(tǒng)描述，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)跨越整個(gè)系統(tǒng)可生命周期可信來源的數(shù)據(jù)、模型和信息進(jìn)行創(chuàng)建、管理和應(yīng)用?！?/span>

我國(guó)北航陶飛教授定義:數(shù)字孿生作為實(shí)現(xiàn)虛實(shí)之間雙向映射、動(dòng)態(tài)交互、實(shí)時(shí)連接的關(guān)鍵途徑，可將物理實(shí)體和系統(tǒng)的屬性、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、性能、功能和行為映射到虛擬世界，形成高保真的動(dòng)態(tài)多維／多尺度／多物理量模型，為觀察物理世界、認(rèn)識(shí)物理世界、理解物理世界、控制物理世界、改造物理世界提供了一種有效手段。

我國(guó)2019年的《數(shù)字孿生體技術(shù)白皮書（2019）》中，給出的數(shù)字孿生體定義：數(shù)字孿生體是現(xiàn)有或?qū)⒂械奈锢韺?shí)體對(duì)象的數(shù)字模型，通過實(shí)測(cè)、仿真和數(shù)據(jù)分析來實(shí)時(shí)感知、診斷、預(yù)測(cè)物理實(shí)體對(duì)象的狀態(tài)，通過性能和狀態(tài)優(yōu)化和指令發(fā)送來調(diào)控物理實(shí)體對(duì)象的行為，通過相關(guān)數(shù)字模型間的相互學(xué)習(xí)來進(jìn)化自身，同時(shí)改進(jìn)利益相關(guān)方在物理實(shí)體對(duì)象生命周期內(nèi)的決策。

2020年我國(guó)工信部標(biāo)準(zhǔn)化院發(fā)布的《數(shù)字孿生應(yīng)用白皮書》中的定義是：數(shù)字孿生是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬實(shí)體，借助歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、以及算法模型等，模擬、驗(yàn)證、預(yù)測(cè)、控制物理實(shí)體全生命周期過程的技術(shù)手段。

可見以上對(duì)數(shù)字孿生存在多種不同認(rèn)識(shí)和理解，目前尚未形成統(tǒng)一共識(shí)的定義,但從這些定義中我們認(rèn)可我國(guó)工信部標(biāo)準(zhǔn)化院所給出的定義,它比較確切、全面和容易理解。

數(shù)字孿生系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖二,該架構(gòu)是2020年我國(guó)工信部標(biāo)準(zhǔn)化院所給出的,可以指導(dǎo)數(shù)字孿生體的建設(shè)與實(shí)施。 

圖二   數(shù)字孿生系統(tǒng)總體架構(gòu)

由圖可見, 總體架構(gòu)分?jǐn)?shù)字孿生體系框架與物理對(duì)象兩個(gè)部分,上部分是數(shù)字孿生體系框架，下部是物理對(duì)象。物理對(duì)象在此圖中用于表達(dá)數(shù)字孿生世界與物理世界的關(guān)系，它不是數(shù)字孿生體框架的要素。數(shù)字孿生體系架構(gòu)包含以下要素：數(shù)字建模、測(cè)量與控制、模擬仿真、數(shù)據(jù)分析、數(shù)字資產(chǎn)和人機(jī)交互等等。

作為制造業(yè),把數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)說得明白一點(diǎn)可以這樣說,見圖三。圖二中的物理對(duì)象就是我們通常所說的現(xiàn)實(shí)世界或稱物理世界(或物理空間),在這里可以理解為是產(chǎn)品、設(shè)備、生產(chǎn)線、物料、人等構(gòu)成的企業(yè)物理世界,而數(shù)字孿生體系框架部分可以理解為通過建模、仿真、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)建成數(shù)字孿生的虛擬世界(或稱賽博物理空間),兩個(gè)世界由網(wǎng)絡(luò)連接,進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的映射和反饋控制,進(jìn)而達(dá)到現(xiàn)實(shí)世界企業(yè)的優(yōu)化。

來源:先進(jìn)制造業(yè)   圖三   數(shù)字孿生系統(tǒng)組成

1)數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)

面向制造業(yè)的數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)包括:

建模、仿真、物聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)、人工智能、云計(jì)算，數(shù)字線索、邊緣計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR/AR/MR）、MES、GIS、CAD、CAE、CAM、工業(yè)控制、區(qū)塊鏈等,見圖四。

圖四  數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)

從這些技術(shù)看, 數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)其中大部分都和新信息技術(shù)(NewIT)相關(guān),見圖五。

NewIT 對(duì)數(shù)字孿生的實(shí)現(xiàn)和落地應(yīng)用起到了重要的支撐作用,例如：物聯(lián)網(wǎng)能通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)為孿生數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、可靠、高效傳輸提供幫助；VR技術(shù)利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、細(xì)節(jié)渲染、動(dòng)態(tài)環(huán)境建模等實(shí)現(xiàn)虛擬模型對(duì)物理實(shí)體屬性、行為、規(guī)則等方面層次細(xì)節(jié)的可視化動(dòng)態(tài)逼真顯示；

AR與MR技術(shù)則利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，場(chǎng)景捕捉，實(shí)時(shí)跟蹤及注冊(cè)等實(shí)現(xiàn)虛擬模型與物理實(shí)體在時(shí)空上的同步與融合，通過虛擬模型補(bǔ)充增強(qiáng)物理實(shí)體在檢測(cè)、驗(yàn)證及引導(dǎo)等方面的功能；邊緣計(jì)算技術(shù)可將部分從物理世界采集到的數(shù)據(jù)在邊緣側(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)過濾、規(guī)約與處理，從而實(shí)現(xiàn)了用戶本地的即時(shí)決策、快速響應(yīng)與及時(shí)執(zhí)行；系統(tǒng)級(jí)和復(fù)雜系統(tǒng)級(jí)數(shù)字孿生則需要更大的計(jì)算與存儲(chǔ)能力,云計(jì)算能按需使用與分布式共享的模式,可使數(shù)字孿生在使用龐大的云計(jì)算資源與數(shù)據(jù)中心時(shí)，動(dòng)態(tài)地滿足數(shù)字孿生的不同計(jì)算、存儲(chǔ)與運(yùn)行需求；

大數(shù)據(jù)能夠從數(shù)字孿生高速產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)中提取更多有價(jià)值的信息，以解釋和預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)事件的結(jié)果和過程；區(qū)塊鏈可對(duì)數(shù)字孿生的安全性提供可靠保證，可確保孿生數(shù)據(jù)不可篡改、全程留痕、可跟蹤、可追溯等；人工智能能通過智能匹配最佳算法，可在無需數(shù)據(jù)專家的參與下，自動(dòng)執(zhí)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、分析、融合對(duì)孿生數(shù)據(jù)進(jìn)行深度知識(shí)挖掘，從而生成各類型服務(wù)等。 

來源: 兩化融合服務(wù)聯(lián)盟    圖五 數(shù)字孿生與NewIT的關(guān)系

數(shù)字孿生應(yīng)用的前提是各個(gè)環(huán)節(jié)的模型及大量的數(shù)據(jù)，那么類似于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)維等各方面的數(shù)據(jù)，如何產(chǎn)生、交換和流轉(zhuǎn)？如何在一些相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫流動(dòng)？這些正是數(shù)字線索要解決的問題。所以數(shù)字線索技術(shù)也是數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)之一,理解了數(shù)字線索才能更深刻的理解數(shù)字孿生。所謂數(shù)字線索有時(shí)也叫數(shù)字線程、數(shù)字紐帶、數(shù)字主線等, CIMdata曾經(jīng)這樣定義過數(shù)字線索：“數(shù)字線索指一種信息交互的框架，能夠打通原來多個(gè)豎井式的業(yè)務(wù)視角，連通設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)的互聯(lián)數(shù)據(jù)流和集成視圖”。

可見數(shù)字線索能把不同生命周期的數(shù)字孿生給串接了起來，形成數(shù)據(jù)的自動(dòng)流動(dòng),所以說數(shù)字線索是穿梭于現(xiàn)實(shí)物理世界與數(shù)字虛擬世界之間的橋梁,見圖六。 

來源:先進(jìn)制造業(yè)   圖六  數(shù)字線索

2)數(shù)字孿生的典型特征與理想特征

數(shù)字孿生具有以下典型特征：

①互操作性--數(shù)字孿生中的物理對(duì)象和數(shù)字空間能夠雙向映射,動(dòng)態(tài)交互和實(shí)時(shí)連接,因此數(shù)字孿生具備以多樣的數(shù)字模型映射物理實(shí)體的能力,具有能夠在不同數(shù)字模型之間轉(zhuǎn)換、合并和建立表達(dá)的等同性；

②可擴(kuò)展性--數(shù)字孿生技術(shù)具備集成、添加和替換數(shù)字模型的能力,能夠針對(duì)多尺度、多物理、多層級(jí)的模型內(nèi)容進(jìn)行擴(kuò)展；

③實(shí)時(shí)性--數(shù)字孿生技術(shù)要求數(shù)字化,即以一種計(jì)算機(jī)可識(shí)別和處理的方式管理數(shù)據(jù)以對(duì)隨時(shí)間軸變化的物理實(shí)體進(jìn)行表征。表征的對(duì)象包括外觀、狀態(tài)、屬性、內(nèi)在機(jī)理,形成物理實(shí)體實(shí)時(shí)狀態(tài)的數(shù)字虛體映射；

④保真性--數(shù)字孿生的保真性指描述數(shù)字虛體模型和物理實(shí)體之間的接近性。要求虛體和實(shí)體不僅要保持幾何結(jié)構(gòu)的高度仿真,在狀態(tài)、相態(tài)和時(shí)態(tài)上也要仿真；

⑤閉環(huán)性--數(shù)字孿生中的數(shù)字虛體,用于描述物理實(shí)體的可視化模型和內(nèi)在機(jī)理,以便于對(duì)物理實(shí)體的狀態(tài)數(shù)據(jù)、進(jìn)行監(jiān)視、分析推理、優(yōu)化工藝參數(shù)和運(yùn)行參數(shù),實(shí)行決策功能,即賦予數(shù)字虛體和物理實(shí)體一個(gè)大腦。因此數(shù)字孿生具有閉環(huán)性。

對(duì)數(shù)字孿生的認(rèn)識(shí)與實(shí)踐離不開具體對(duì)象、具體應(yīng)用與具體需求,例如一個(gè)產(chǎn)品、一臺(tái)設(shè)備、一條產(chǎn)線、一個(gè)車間等它們?cè)诓煌A段的數(shù)字孿生會(huì)呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，這就要求我們從應(yīng)用和解決實(shí)際問題出發(fā)，應(yīng)用過程中不一定要求所建立的“數(shù)字孿生”具備所有的“理想特征”，只要能滿足用戶需要即可。見表一,基于各種視角看待數(shù)字孿生所表現(xiàn)出來的理想特征,它是值得我們?cè)趹?yīng)用時(shí)參考的。

表一  基于不同認(rèn)識(shí)的數(shù)字孿生理想特征

來源: 兩化融合服務(wù)聯(lián)盟

智能制造領(lǐng)域應(yīng)用的數(shù)字孿生技術(shù),其核心技術(shù)是信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)（CyberPhysical Production System－CPPS），如圖七所示。信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)是信息物理系統(tǒng)（CPS）在生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，是一種多維度的智能技術(shù)體系。信息物理融合生產(chǎn)系統(tǒng)以大數(shù)據(jù)、人工智能、網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算為依托，通過智能感知、分析、預(yù)測(cè)、優(yōu)化、協(xié)同等技術(shù)手段，使計(jì)算、通信和控制三者有機(jī)融合與協(xié)作。將所獲取的信息與對(duì)象的物理性能表征相結(jié)合，形成虛擬空間與實(shí)體空間深度融合、實(shí)時(shí)交互、互相耦合、及時(shí)更新，在網(wǎng)絡(luò)空間中構(gòu)建實(shí)體的虛擬鏡像。通過自感知、自記憶、自認(rèn)知、自決策、自重構(gòu)的運(yùn)算和分析，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。

來源: 智能制造IM   圖七  數(shù)字孿生與智能制造

基于數(shù)字孿生的智能制造系統(tǒng)是預(yù)測(cè)型智能制造系統(tǒng)。大家知道,智能制造的困擾是設(shè)備和裝置的失效，隨著時(shí)間推移，設(shè)備會(huì)磨損，性能會(huì)衰退，最終導(dǎo)致故障和停機(jī)。

預(yù)測(cè)型智能制造通過掌握設(shè)備實(shí)際的狀態(tài)，不是在故障發(fā)生后去搶修，或過早地將可繼續(xù)用的部件進(jìn)行不必要更換，而是采用計(jì)劃性維修，從而降低維修費(fèi)用和生產(chǎn)成本。知道設(shè)備什么時(shí)候可能失效，就能夠合理地安排維修計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)“準(zhǔn)時(shí)”維修，最大限度地提高設(shè)備的可用性和延長(zhǎng)其正常運(yùn)行時(shí)間，提升工廠運(yùn)營(yíng)效率。

將設(shè)備衰退模式和實(shí)時(shí)狀態(tài)評(píng)估與加工過程控制結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)在設(shè)備或系統(tǒng)性能隨時(shí)間變化的情況下，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定，邁向無憂慮的放心智能制造。

中國(guó)從“信息化帶動(dòng)工業(yè)化，工業(yè)化促進(jìn)信息化”，到兩化融合和兩化深度融合，再到“中國(guó)制造 2025”的“融合演進(jìn)”的制造強(qiáng)國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略，都期望通過信息物理融合來實(shí)現(xiàn)智能制造。

數(shù)字孿生既是構(gòu)建CPS系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是智能制造的一種使能技術(shù)?？梢哉f沒有數(shù)字孿生，就沒有CPS，也就沒有智能制造。數(shù)字孿生是未來智能制造生產(chǎn)的“底座”，在智能制造實(shí)踐中將大有可為。

Gartner曾經(jīng)攜手樹根互聯(lián)發(fā)布了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)白皮書《如何利用數(shù)字孿生幫助企業(yè)創(chuàng)造價(jià)值》（以下簡(jiǎn)稱《白皮書》）,在《白皮書》中預(yù)測(cè)，數(shù)字孿生將會(huì)是未來企業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型與創(chuàng)造價(jià)值的重要驅(qū)動(dòng)力。到2021年，半數(shù)的大型制造業(yè)將使用數(shù)字孿生，從而使這些企業(yè)的效率提高10%。到2024年，超過25%的全新數(shù)字孿生將作為新loT業(yè)務(wù)應(yīng)用的功能被采用。

數(shù)字孿生技術(shù)受到我們?nèi)绱酥匾?，是因?yàn)樗芡七M(jìn)數(shù)字孿生技術(shù)在實(shí)踐服裝智能制造工廠中直接應(yīng)用。數(shù)字孿生技術(shù)也是服裝智能工廠實(shí)踐的重要的組成部分。

我們利用數(shù)字孿生技術(shù)來實(shí)現(xiàn)服裝智能制造途徑是這樣進(jìn)行的,從對(duì)實(shí)體服裝加工設(shè)備(即設(shè)備實(shí)體)的數(shù)字虛擬化(即建仿真模型)開始,隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等NEWIT技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，數(shù)字孿生將逐步由設(shè)備數(shù)字虛擬化向產(chǎn)線數(shù)字虛擬化、向車間數(shù)字虛擬化、向工廠數(shù)字虛擬化發(fā)展。

在這些物理實(shí)體數(shù)字虛擬化過程中要通過反復(fù)的模擬計(jì)算，自主生成數(shù)據(jù)資源庫(kù)，并利用深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生對(duì)于實(shí)體設(shè)備、產(chǎn)線流程的自適應(yīng)、自決策。當(dāng)生產(chǎn)需求、業(yè)務(wù)場(chǎng)景發(fā)生新變化時(shí)，通過數(shù)字孿生是對(duì)物理實(shí)體的虛實(shí)映射,互聯(lián)互通,(指實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息上傳與下達(dá)),見圖八,生產(chǎn)流程就能夠完成自適應(yīng)的智能化調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)真正意義上的服裝智能工廠。

圖八 數(shù)字孿生技術(shù)的智能制造概念規(guī)劃

圖八中設(shè)備實(shí)物(物理實(shí)體世界)可以是我們服裝加工用的各種設(shè)備、產(chǎn)線、車間、工廠；而仿真模型(數(shù)字虛擬世界)是對(duì)設(shè)備、產(chǎn)線、車間、工廠的3D數(shù)字化虛擬體。圖九是對(duì)我們服裝智能制造常用的機(jī)器人設(shè)備的數(shù)字孿生系統(tǒng),這個(gè)系統(tǒng)是對(duì)機(jī)器人設(shè)備進(jìn)行預(yù)測(cè)性健康維護(hù),其原理見圖十；不問是設(shè)備還是產(chǎn)線、還是工廠,他們對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用原理是一樣的,只是在層級(jí)和價(jià)值上有所區(qū)別,所以在此就不再贅述。

來源: Engineering 2021  圖九 機(jī)器人數(shù)字孿生系統(tǒng)

 來源: 先進(jìn)制造業(yè)  圖十 設(shè)備健康數(shù)字孿生系統(tǒng)

數(shù)字孿生服裝車間運(yùn)行機(jī)制見圖十一；服裝工廠數(shù)字孿生概念模型見圖十二；數(shù)字孿生服裝立體倉(cāng)庫(kù)見圖十三。

來源: 智造苑  圖十一 數(shù)字孿生服裝車間運(yùn)行機(jī)制

  圖十二 服裝工廠數(shù)字孿生概念

來源: 智造苑   圖十三  數(shù)字孿生服裝立體倉(cāng)庫(kù)

中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)在2020年進(jìn)行的市場(chǎng)研究表明：隨著企業(yè)學(xué)習(xí)如何使用數(shù)字孿生來提高生產(chǎn)率和降低成本，數(shù)字孿生會(huì)越來越受歡迎。到2025年，多達(dá)89％的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)將包含數(shù)字孿生；到2027年，數(shù)字孿生將成為IoT平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)功能；各個(gè)行業(yè)中將近36％的高管在了解數(shù)字孿生技術(shù)之后，其中有50%的人到2028年會(huì)在企業(yè)業(yè)務(wù)中使用數(shù)字孿生,我們服裝制造業(yè)當(dāng)然不會(huì)落后。

2022年5月于上海