数字孪生是一种虚拟过程表示法，它将模拟世界和现实世界融合在一起，以提高效率、优化参数，并预测各行各业的成功运营。

图 1. 用于仿真的硬面板

早期，我们通常使用拨动开关、指示灯和模拟面板仪表进行仿真（图 1）。后来，我们开始使用现成的仿真软件，如标准 Modbus 服务器、OPC 服务器或硬接线 PLC 进行仿真。为了与仿真系统进行交互，我们建立了某种用于显示和控制的图形界面（图 2），以测试我们开发的控制系统。

之后的时间里，模拟方法是我们所拥有的最好工具，对成功调试的准备工作帮助很大。然而，由于控制系统已经建成并编程，当出现问题时，我们除了重新编程、修改设计、寻找变通方法或对系统进行某些调整以确保其通过测试并符合标准外，几乎无能为力。

为了克服这一限制，近年来，工程师们开发并使用了 "数字孪生 "设计，即虚拟创建一个待建工厂的数字副本。也可以为现有工厂创建数字孪生，实时收集数据，用于测试新概念、模拟生产运行，并在软件上线前进行测试。

图 2. 仿真人机界面

数字孪生是流程、系统或物理资产的数字复制品。在制造业中，数字孪生可以针对资产、生产线、控制系统、机械或设施中的其他真实场景进行构建。数字孪生用于产品或流程生命周期的模拟和运行阶段，生产流程的数字化呈现有助于工程师进一步了解生产流程，并获得更深更广的可视性。

比如，工厂建成后，创建数字孪生，并从传感器和物联网（IoT）设备中获取实时数据。然后，它将过程变量映射和结构化到实时数据库或 SCADA 数据库中，通过这些数据，工程师、分析师和数据科学家可以建立生产模型。

由于无需购买实体系统，我们可以在这一阶段更轻松地更改设计，甚至可以建立几个数字孪生系统，以测试不同的设计和多个机器供应商。

还可以更自由地选择最合适的硬件，以此来降低成本，并确保生产设备能够安全、有效、无缝地集成在一起。

再者，数字孪生的动态特性可以展示工厂的实际运行情况，让我们越早发现问题，就能越早解决问题。

图 3. 概念工厂的数字复制品

步骤 1：确定数字孪生的目标

首先，需要企业内部业务部门和工程部门之间拟定各自的目标，即希望通过数字孪生解决什么样的问题。

第 2 步：确定数字孪生中的组件

数字孪生组件主要包括采购、运输、生产、包装、仓储和库存。组件也可以是组装件。例如，一个包装组件包含一个装箱机器人和一个自动贴标机。

第 3 步：选择设计工具

市场上有许多 CAD 软件和模拟工具可以帮助设计和构建工厂的数字孪生系统。如通用电气、西门子、欧特克和罗克韦尔等工业平台都提供了设计工具，大家可以根据自己的需求进行选择。

步骤 4：数据源

如果工厂尚未建成，数据源将通过仿真或模拟实现。模拟数据可以是自动输入的，也可以是手动输入的，还可以使用其他类似生产设施的数据进行模拟。

如果工厂已经建成，则可通过远程传感器、RFID 和物联网设备将实时数据输入模型。推荐使用可靠且成熟的通信技术收集数据，如 MQTT、OPC UA、区块链、开放式 API 和 Modbus TCP。

步骤 5：数据收集

这一步涉及步骤 1 的问题，即您想从数字孪生中得到什么。例如，如果想知道新的配方或产品制作方法是否优于旧的配方或方法，这可能需要来自设备的数据收集。如果想知道该流程是否能加快生产速度，则可能需要收集性能数据。

步骤 6：设计模型

利用设计和建模工具，可以从现有的 CAD 或组件库中开发虚拟模型。CAD 可以导入到工具中。如果没有 CAD，则可使用标准组件，或在工具中创建定制组件。

第 7 步：实施

设计完成后，就可以将数字孪生连接到仿真软件，甚至可能连接到来自物理设备的实时数据。数据将根据所选通信协议持续流入数字孪生组件。例如，如果选择 MQTT，数据将从设备发布到代理，组件将订阅这些数据点。如果您选择 OPC UA，数据将被提供给 OPC 服务器，而组件将成为客户端，在发生变化时订阅数据或以一定间隔轮询服务器。

然后，这些数据可记录到实时数据库（如 Apache 或 InfluxDB 等时间序列数据库）中，供其他人访问。

第 8 步：使用数字孪生

实施数字孪生后，则可以使用控制软件对其进行测试，模拟产品流程、建立产品装配线模型，并测试不同的方案以提高产量。

收集实时数据并输入数字孪生系统后，可以对结果进行分析。例如，可以通过目标与实际的对比来识别关键的流程偏差；还可以进行根本原因分析，检查不符合要求的原因。此外，还可以使用生成式人工智能来补充有限元分析，用模型来测试新产品。

步骤 9：优化和改进

与实体工厂一样，数字孪生也会随着时间的推移进行升级、扩展或改造。上述步骤同样适用于扩大数字孪生的规模。

随着模拟技术、通信能力、工业 4.0 和设计工具等方面的最新进展，制造商可以更容易地在实际建立工厂生产线之前将其设施数字化。

如果计划建设新的生产设施，并希望降低风险和缩短调试时间，那么值得在早期阶段投资建设数字孪生系统，以获得收益。一旦设施建成，同样的数字孪生系统还能在优化资产性能、提高产品质量、分析替代流程和预测突发事件等方面带来价值的提升。

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