什么是“数字孪生”？看看这个工厂你就懂了

上周，有一个B站UP主火了，他把自己的自行车改造成了无人驾驶的“真·自行车”，给自行车装上了三个电机、一个激光雷达、一个AI运算核心等零件。

这些工作的第一步，是他把车的尺寸、结构精细地输入电脑，做出了一个类似CAD的结构图， 基于这辆虚拟的自行车，他定制加工了组件；随后，这辆数字车被输入游戏引擎，引入重力等因素，就可以用来初步调整各项参数，让只有两个轮子的自行车能稳稳地站在地上。

他把这辆软件中的自行车，称作现实中被改装的那辆车的“数字孪生”。

杨景诒、刘冬宇 | 作者

刘冬宇 | 编辑

放大灯团队 | 策划

从《模拟人生》到“数字孪生”

《模拟人生》系列的历史已有21年，至今仍长盛不衰，这离不开它对现实世界的刻画——玩家在游戏不光可以自行决定人格特质、生活习惯，还能决定社交活动和婚姻生育。

自不必说，人生模拟器是一个荒诞的概念，它离真实世界相差甚远；但在另一些电子游戏中，对真实世界、物理规律与机械的还原，成了游戏最关键的卖点——例如《微软模拟飞行》，它需要玩家买一套仿真的飞机控制器，体验起降、飞行过程，甚至有人怀疑，“9·11事件”中的恐怖分子，可能就用电子游戏学习驾驶真正的飞机。也比如《坎巴拉太空计划》，其中的物理模型，与现实的火箭发射相差无几。

这些游戏，都在尝试着在虚拟空间里创造某种真实性，这是一种“仿真”——而仿真的潜力，远不止于满足娱乐需求，在工业生产中更需要“模拟经营”，用仿真工具来低成本地验证某项设计是否有效，或者提前发现致命错误。

在音箱的设计中，箱体与单元的结构，就可以通过仿真软件计算出音箱输出的声音特性，而在土木工程里，仿真软件更是计算结构强度、分析材料选择的必备工具。

就在今年高考填报志愿中，中山大学就将土木类专业划入计算机大类[1]——仿真软件成了各行各业的重要工具，或许就是这种专业划分的原因之一。

这些“仿真”，与UP主的自行车的“数字孪生”，又有什么区别？毕竟它们看起来都是数字世界的物体。

数字孪生的概念可以追溯至2002年，美国工业制造工程协会举办的一次论坛，密歇根大学的迈克尔·格里弗斯博士提出了“信息镜像模型”的概念，后被称作“数字孪生”。

为了更容易理解，我们也可以把数字孪生叫做数字镜像，或者数字化映射。它利用3D建模、传感器、物联网等技术手段，在线上复制一个与现实几乎一致的“数字体”。这个数字体能够通过大量数据，记录现实中的一举一动，“投射”到系统中。

用人话总结一下，仿真是基于现实的规律，创造出虚拟的物体，而数字孪生，则是把真实世界的真实事物，可以是物体，也可以是某种过程，经过精确测量后，在虚拟空间创造出的可以反映真实情况的数码复制体。

共同之处是，他们都能成为人们的好帮手。

某种程度上说，你可能在各处都能见到实时监控数据的大屏幕，那也是种简单的数字孪生；而苹果近年大力推进AR，其中一个应用，就是让普通消费者用手机上的激光雷达，扫描所在的房间与家具，将结构和尺寸录入手机软件，就可以生成你的房间的数字孪生——当然，精度不是很高。

其实，数字孪生不仅可以帮UP主改造自行车，更能成为工业生产、城市管理等领域的重要工具。

在获得制造业的垂青前，数字孪生主要用于军工。

2009年，美国国防部提出“机身数字孪生”的概念，将数字孪生用于航空航天飞行器的维护。另外，通过飞行器身上的传感器，相关实验室还能收集到飞行器的飞行数据，用于后续研究[2]。2012年，NASA发布了一项“建模、仿真、信息技术和处理”路线图，数字孪生这才被更多人了解。

此后数年，数字孪生一直被美国空军所看好。

但它进入民用生产领域的历史并不长，直到2015年5月，通用电气推出数字化风电场，才把数字孪生技术推向商用。2017年，更多国际巨头先后涉足数字孪生技术：

• 西门子发布了数字孪生体应用模型；

• 美国参数技术公司推出基于数字孪生技术的IoT解决方案；

• 达索、通用电气等企业也开始宣传数字孪生技术。

而在国内，阿里巴巴等互联网公司也紧随趋势，纷纷布局数字孪生市场。根据阿里云此前的公开新闻，在城市大脑[3]、钢铁水泥、服装制造[4]等领域，数字孪生的概念已经投入实际应用。

数字孪生技术迅速成为工业生产的宠儿，自然是因为它有助于生产。中国工程院院士谭建荣曾在2020年指出，数字孪生应用于工业领域，能够实现资源调配、智能化生产，显著提高生产效率。[5]

2016~2020年，数字孪生连续四年入选分析公司Gartner的“十大战略科技发展趋势”。Gartner 的一份2019年的报告预测，到2021年，全球将有一半的大型工业企业，在生产中使用数字孪生技术，而这能使他们的生产效率提高10%。[6]

咨询公司MarketsandMarkets的数据则显示，全球数字孪生市场将在未来快速增长，规模从2019年的38亿美元，增长至2025年的358亿美元。此外，亚太地区市场规模增速也会远超其他地区。[7]

为什么数字孪生能提高生产效率？它是如何工作的？要回答这些问题，首先得看看制造业的数字孪生是什么样子——在工厂里，数字孪生复制的不再是一辆自行车、一架飞机，而是一条生产线。

跑在前面的竟是这家老国企

今年5月28日，在2021阿里云峰会上，阿里云与机械工业九院联合发布“汽车数字工厂1.0”行业解决方案，数字孪生是这个方案中的重要部分。

一汽红旗最新的新能源工厂“繁荣工厂”，将会是首个采用这套方案的主机厂。

一汽红旗“繁荣工厂”

这座工厂去年4月开始动工，投资78亿，是红旗品牌近年来突飞猛进的又一个信号。2017年，红旗年销量不到5000台，而去年的销量超过20万台，三年增长42倍，而今年大概率会超过40万台。随着需求迅速扩大，这个年产能20万台的新工厂由此诞生。

要造最好的车，肯定要配最好的工艺和装备。这是汽车工业颠扑不破的真理。

汽车工业，人类制造业的明珠之一。它是一种典型的离散制造：产品的生产过程通常被分解为很多零件，在不同的工厂甚至不同的企业里生产，生产过程更为复杂多变。而与之相对的则是流程制造，例如钢铁、水泥、服装等工厂，用一条生产线就将原料制成成品。

红旗繁荣工厂车间实拍

阿里云汽车行业架构师黄铮介绍，一辆汽车由3000多类、3万~5万种零部件组成，生产过程要经历冲压、焊装、涂装、总装、电池五大车间、200多种加工工艺，每个车间的生产设备完全不一样，与先前阿里云工业大脑覆盖的钢铁、水泥、服装等流程制造行业相比，汽车制造更加考验企业管理生产的能力。

与自行车和飞机的数字孪生类似，数字孪生工厂是对现实工厂3D形态的完全模拟。大到整厂五个车间，小到车间里每台设备和每一个生产动作，都映射在数字孪生上。简言之，它展现了人类对复杂系统的掌控力。

把工厂搬到虚拟空间里，有什么用？

对于车间的管理人员或者工程人员来说，偌大工厂的管理和生产安排变得没那么困难了。一汽新能源汽车工厂占地面积78万平方米，什么概念？相当于105个足球场那么大。

好在，数字孪生虚拟出来的工厂，与真实的生产环境1：1对应，人在办公室，就能看到生产现场一举一动。在数字孪生的应用中，管理人员能够看到每一个车间的工作情况，通过搜索定位、“拖拉拽”等简单交互，就能定位到生产线的每一个细节。

此外，数字孪生也降低了工人看懂数据的门槛。“它不需要你有什么CAD的经验、也不需要有太多专业知识。” 阿里云工业大脑数字孪生产品经理伍剑向放大灯介绍，就算拧螺丝的工人也看得懂。

除了实时性，“回放”也是数字孪生的重要功能。生产监管因此变得一目了然：借助数字孪生，工程师们可以快速追溯生产数据，甚至细化到当时螺丝的力矩，更容易分析故障的原因；在车辆交付给消费者后， “回放”仍然可以在售后服务中发挥作用。

但想让这一切科幻感的事情在工厂里发生，并不容易。传感器、通信模组、数采软件、算法等软硬件，它们是数字孪生的基础。

伍剑告诉放大灯团队，一个完整的数字孪生工厂，涉及至少三个领域的技术。

首先是数字孪生的载体平台。无论是设备的运行状况，还是生产线的生产数据，都需要运行的载体。这是整个数字孪生中最复杂、最关键的一套系统。

其次是三维技术。孪生世界要与物理世界完成“一一对应”，就意味着工程师要用大量三维技术还原工厂设备。“数字孪生”成为工业设计大奖的常客，就不奇怪了。（去年，阿里云的工业大脑数字孪生刚刚拿了中国设计智造大奖“金奖”。）

搭建好的三维模型，还要接入工厂的生产数据，才能把它们驱动起来。换句话说，这些三维模型不是用来观赏的，它要实实在在反映、指导生产动作。这需要特别精准、高性能的数据采集和处理技术。

如果回到原点，第一个环节就是对数据采集与监控系统的改造，排头兵就是异常复杂的连接设备传感器和PLC可编程逻辑控制器。

随着工厂自动化设备越来越多，设备接入点位和十年前相比，可能增加了二、三十倍。这些数据包括但不仅限于：

• 工厂的物流、仓储、内部控制环节产生的管理类数据；

• 温湿度计、机械臂等IoT类传感器产生的数据；

• 在进行安全管理、质量检查时，工厂还会借助视频手段，这些视频又是一类数据。

这些数据如何采集、监控并为生产提供参考，成了所有工厂跨越简单自动化的切入点。

在一汽红旗新能源工厂，阿里云和机械九院自主研发出一套数据采集与监控平台。数据采集的设备点位在工厂的五大车间里超过数百万个，数采频次最高可达200毫秒/次。大量的设备点位高频次介入，数采平台能不能撑住？这十分考验系统的处理能力。在红旗新能源工厂项目上线前，阿里云做了一个月的模拟测试，当有60万设备点位接入时，CPU的开销只占到30%以下。

对行业来说，这是个新记录。

当然，对车企来说，数采的手段并不重要，重要的是数据拿到手之后，如何用起来。“数据采集后，关键在于对数据治理的环节，这是核心技术。”一汽集团工程与生产物流部总装工艺部总监、一汽红旗新能源工厂项目负责人董玮在先前的采访中曾经表示：“这些核心技术我们肯定希望掌握在自己的手里，来保证数据模型搭建的自主性。”

数字工厂中的数据流向。
图丨放大灯团队据采访整理

数字孪生对数据的完整性提出了事无巨细的要求，让车企“自主掌握数据”成为一个基本要求。归根结底，一座数字孪生工厂，就是整个工厂的所有数据的集合。难怪机械工业九院副总经理李允升这样说：“我们给一汽红旗交付的是一个真正数据驱动的工厂。”

1分钟生产1台车，机器人绝不罢工

不过数字孪生，只是智能工厂的一块拼图。

阿里云和机械工业九院合作的“汽车数字工厂”，当然不只有数字孪生——实际上，基于数据和智能算法，数字工厂还在做更多的事。

放大灯团队据采访信息整理

在一汽红旗新能源工厂里，智能应用遍布五大车间。

其中比较容易理解的是用算法对质量做预测分析。打个比方，我们该怎样判断一颗螺丝有没有拧好？在传统的流水线上，这项工作当然需要人去做检查，但在数字工厂，就需要更自动化的策略。

IoT数据采集，当然能测出拧这颗螺丝用了多大力、拧了多少度数——但这还不够，数据指标不能解决一切问题，因为每颗螺丝、每块钢板都存在微小的差异。工厂是个复杂的系统，综合考虑这些复杂的因素，就需要建立算法模型，对“拧好螺丝”这件小事作出判断。

这只是汽车数字工厂智能算法的一个缩影。类似的算法，被应用到冲压、焊接、涂装、总装、电池电驱各个关键环节中，即时对生产质量给出判断。

另外一类算法，则是对生产设备本身的预测性维护。

高速生产的流水线中，每一个环节掉链子，都会打乱整个生产节奏。

“繁荣工厂”设计的生产节拍是60JPH（jobs per hour），即每小时完成60个作业、每分钟就有一辆汽车整装下线。如果一年停工10次，每次停工3小时，就会减少1800台产量，实际损失上亿。提前发现问题、集中处置，减少产线停工的发生，正是这套预测性维护算法带来的直接提升。

它通过IoT数采的生产数据，和流水线设备本身的寿命参数结合，以判断设备是否有部件即将超过使用寿命、需要维修，并由系统在第一时间向工程师报告问题。

如何报告呢？最快最明了的方式，就是在数字孪生的虚拟工厂里，显示出一个巨大的预警信号。即便是一线的工人也能马上理解，有什么可怕的事情正在发生，必须尽快解决。

红旗繁荣工厂车间实拍

人类对复杂系统的改造永远不会停止。福特T型车之所以短时间内成为风靡全球的爆款车型，要归功于福特在1913年发明的工业流水生产线。这条产线第一次实现了汽车零部件的标准化，第一次在总装车间采用了机械传送带，也让造一辆车的时间第一次缩短到93分钟。

为了更高的效率和品质，此后的一百年里人们几乎穷尽了自动化的所有可能。下一个问题便是如何降低自动化的费效比，如何让数据成为最重要的生产凭据——数据、智能算法、数字孪生已经是绕不开的“产线新势力”。

下个时代的“T型车”，无法简单地从一堆机械臂中诞生，智能制造的浪潮已经到来。

References：

[1] 中山大学今年实行大类招生、集中培养：计算机类可分流到土木
https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_13079663

[2] 数字孪生：企业数字化未来之门
doi：10.19609/j.cnki.cn10-1339/tn.2020.11.001

[3] 阿里云《城市大脑：探索“数字孪生城市”》白皮书

https://developer.aliyun.com/article/727011

[4] 阿里云获中国设计智造金奖，工业大脑“数字孪生”成行业新宠儿

https://www.geekpark.net/news/267718

[5] 谭建荣院士：用数字孪生技术赋能

美好生活

http://heb.hebei.com.cn/system/2020/09/30/100469531.shtml

[6] Digital Twins: why virtual replicas of assets create real business value

https://www.iot-now.com/2019/05/24/96093-digital-twins-virtual-replicas-assets-create-real-business-value/

[7] 工业级数字孪生稀缺标的，赋能“智造”升级

https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202008181399312308_1.pdf?1601215122000.pdf